JP7301332B2 - Method for producing eukaryotic cells with edited DNA and kit for use in the method - Google Patents

Method for producing eukaryotic cells with edited DNA and kit for use in the method Download PDF

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Description

本発明は、DNAが編集された真核細胞、動物、および植物を製造する方法、ならびに当該方法に用いられるキットに関する。 The present invention relates to methods for producing DNA-edited eukaryotic cells, animals, and plants, and kits for use in such methods.

細菌、古細菌は、外来から侵入しようとするファージなどの生物を特異的に認識し、排除する適応免疫機構を有している。CRISPR-Casシステムと呼ばれるこのシステムは、まず、外来生物のゲノム情報を自己ゲノムに取り込む(アダプテーション)。そして、再度同じ外来生物が侵入しようとする際に、自己ゲノムに取り込まれた情報とゲノム配列の相補性を利用して外来ゲノムを切断し、排除する(インターフェアランス)。 Bacteria and archaea have adaptive immune mechanisms that specifically recognize and eliminate invading organisms such as phages. This system, called the CRISPR-Cas system, first incorporates the genomic information of a foreign organism into its own genome (adaptation). Then, when the same foreign organism tries to invade again, the information incorporated into the self genome and the complementarity of the genome sequence are used to cleave and eliminate the foreign genome (interference).

最近になって、上記のCRISPR-Casシステムを、「DNA編集用の道具」として用いた、ゲノム編集(DNA編集)技術が開発されるようになってきた(非特許文献1)。 Recently, genome editing (DNA editing) technology has been developed using the above CRISPR-Cas system as a "tool for DNA editing" (Non-Patent Document 1).

CRISPR-Casシステムは、DNAを切断する過程で働くエフェクターが、複数のCasからなる「クラス1」と、単一のCasからなる「クラス2」とに大別される。とりわけ、クラス1のCRISPR-Casシステムとしては、Cas3およびカスケード複合体(カスケードとcrRNAとの複合体を意味する。以下同様。)が関与する「タイプI」が広く知られており、クラス2のCRISPR-Casシステムとしては、Cas9が関与する「タイプII」が広く知られている(以下、CRISPR-Casシステムに関して、「クラス1タイプI」および「クラス2タイプII」をそれぞれ単に「タイプI」および「タイプII」と称することもある。)。そして、これまでのDNA編集技術において広範に用いられていたのは、Cas9が関与するクラス2のCRISPR-Casシステムである(以下、「CRISPR-Cas9システム」と呼ぶこともある。)。例えば、非特許文献1は、Cas9を用いてDNAを切断する、クラス2のCRISPR-Casシステムを報告している。 The CRISPR-Cas system is roughly divided into "class 1" consisting of multiple Cas and "class 2" consisting of a single Cas, the effector acting in the process of cleaving DNA. In particular, as a class 1 CRISPR-Cas system, Cas3 and cascade complex (meaning a complex of cascade and crRNA. Same below.) Involved "type I" is widely known, class 2 As a CRISPR-Cas system, "type II" involving Cas9 is widely known (hereinafter, with respect to the CRISPR-Cas system, "class 1 type I" and "class 2 type II" are simply referred to as "type I" and sometimes referred to as "type II"). And what has been widely used in DNA editing technology so far is the class 2 CRISPR-Cas system involving Cas9 (hereinafter sometimes referred to as "CRISPR-Cas9 system"). For example, Non-Patent Document 1 reports a class 2 CRISPR-Cas system that uses Cas9 to cleave DNA.

一方、Cas3およびカスケード複合体を用いてDNAを切断する、クラス1のCRISPR-Casシステム(以下、「CRISPR-Cas3システム」と呼ぶこともある。)については、多くの努力にも拘らず、真核細胞においてゲノム編集の成功例の報告はなされていない。例えば、非特許文献2および3では、単に、CRISPR-Cas3システムを用いることにより、無細胞系で標的DNAが完全に分解されたことや、特定の大腸菌株を選択的に除去することができたことを報告しているが、これらはゲノム編集の成功を意味するものではなく、また、真核細胞では何ら実証されていない。また、特許文献1においては、CRISPR-Cas3システムが、Cas3のヘリカーゼ活性とエキソヌクレアーゼ活性により、大腸菌において標的DNAを分解してしまうことから(実施例5、図6)、真核細胞においては、Cas3に代えて、FokIヌクレアーゼを用いてゲノム編集を行うことを提案している(実施例7、図7、図11)。また、特許文献2では、CRISPR-Cas3システムは、大腸菌において標的DNAを分解してしまうことから(図4)、cas3を欠失させたり、不活性化されたCas3(Cas3’とCas3’’)を使用することで、プログラム化可能な遺伝子抑制に再目的化することを提案している(例えば、実施例15、請求項4(e))。 On the other hand, the class 1 CRISPR-Cas system (hereinafter sometimes referred to as "CRISPR-Cas3 system"), which cleaves DNA using Cas3 and a cascade complex, despite many efforts, There have been no reports of successful genome editing in nuclear cells. For example, in Non-Patent Documents 2 and 3, simply by using the CRISPR-Cas3 system, target DNA was completely degraded in a cell-free system, and a specific E. coli strain could be selectively removed. However, these do not imply successful genome editing, and none have been demonstrated in eukaryotic cells. In addition, in Patent Document 1, the CRISPR-Cas3 system degrades the target DNA in E. coli due to the helicase activity and exonuclease activity of Cas3 (Example 5, Figure 6). It is proposed to perform genome editing using FokI nuclease instead of Cas3 (Example 7, Figure 7, Figure 11). In addition, in Patent Document 2, the CRISPR-Cas3 system degrades the target DNA in E. coli (Fig. 4), so that cas3 is deleted or inactivated Cas3 (Cas3' and Cas3'') is proposed to be repurposed for programmable gene suppression (eg, Example 15, claim 4(e)).

特表2015-503535号公報Japanese Patent Publication No. 2015-503535 特表2017-512481号公報Japanese Patent Publication No. 2017-512481

Jinek M et al. (2012) A Programmable Dual-RNA Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, Vol.337 (Issue 6096), pp.816-821Jinek M et al. (2012) A Programmable Dual-RNA Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, Vol. 337 (Issue 6096), pp. 816-821 Mulepati S & Bailey S (2013) In Vitro Reconstitution of an Escherichia coli RNA-guided Immune System Reveals Unidirectional, ATP-dependent Degradation of DNA Target, Journal of Biological Chemistry, Vol.288 (No.31), pp.22184-22192Mulepati S & Bailey S (2013) In Vitro Reconstitution of an Escherichia coli RNA-guided Immune System Reveals Unidirectional, ATP-dependent Degradation of DNA Target, Journal of Biological Chemistry, Vol. 288 (No. 31), pp. 22184-22192 Ahmed A. Gomaa et al. (2014) Programmable Reomoval of Bacterial Strains by Use of Genome Targeting CRISPR-Cas Systems, mbio. asm. org, Volume 5, Issue 1, e00928-13Ahmed A. Gomaa et al. (2014) Programmable Removable of Bacterial Strains by Use of Genome Targeting CRISPR-Cas Systems, mbio. asm. org, Volume 5, Issue 1, e00928-13

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、真核細胞においてCRISPR-Cas3システムを確立することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to establish the CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、遂に、真核細胞においてCRISPR-Cas3システムを確立することに成功した。最も広く利用されているCRISPR-Cas9システムは、様々な真核細胞においてゲノム編集に成功しているが、このシステムでは、通常、crRNAとして成熟crRNAが用いられている。しかしながら、驚くべきことに、CRISPR-Cas3システムでは、成熟crRNAを用いた場合には、真核細胞においてゲノム編集が困難であり、通常、システムの構成要素としては用いられないプレcrRNAを用いることで初めて、効率的なゲノム編集が可能であった。すなわち、CRISPR-Cas3システムを真核細胞で機能させるためには、カスケードを構成するタンパク質によるcrRNAの切断が重要であることが判明した。このプレcrRNAを用いたCRISPR-Cas3システムは、タイプI-Eのシステムのみならず、タイプI-FおよびタイプI-Gのシステムにも広く適用することが可能であった。また、Cas3に核移行シグナル、特に、バイパルタイト核移行シグナルを付加することにより、真核細胞におけるCRISPR-Cas3システムのゲノム編集効率をさらに向上させることができた。また、本発明者は、CRISPR-Cas3システムによれば、CRISPR-Cas9システムと異なり、PAM配列を含むか、その上流域において、大きな欠失をもたらすことが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above objects, and finally succeeded in establishing the CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells. The most widely used CRISPR-Cas9 system, which has been used successfully for genome editing in various eukaryotic cells, usually uses mature crRNA as the crRNA. However, surprisingly, in the CRISPR-Cas3 system, when mature crRNA is used, genome editing is difficult in eukaryotic cells. For the first time, efficient genome editing was possible. That is, in order for the CRISPR-Cas3 system to function in eukaryotic cells, it was found that cleavage of crRNA by proteins constituting the cascade is important. The CRISPR-Cas3 system using this pre-crRNA could be widely applied not only to the type IE system but also to the type IF and type IG systems. In addition, by adding a nuclear localization signal to Cas3, in particular, a bipartite nuclear localization signal, it was possible to further improve the genome editing efficiency of the CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells. In addition, the present inventors have found that, according to the CRISPR-Cas3 system, unlike the CRISPR-Cas9 system, it contains a PAM sequence, or in its upstream region, it is possible to cause a large deletion, and the present invention. Completed.

すなわち、本発明は、真核細胞におけるCRISPR-Cas3システムに関し、より詳しくは、以下の発明を提供するものである。 That is, the present invention relates to the CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells, and more specifically provides the following inventions.

[1]DNAが編集された真核細胞を製造する方法であって、真核細胞にCRISPR-Cas3システムを導入することを含み、CRISPR-Cas3システムが以下の(A)~(C)を含む方法。 [1] A method for producing a eukaryotic cell with edited DNA, comprising introducing a CRISPR-Cas3 system into the eukaryotic cell, wherein the CRISPR-Cas3 system includes the following (A) ~ (C) Method.

(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
[2]DNAが編集された動物(ただしヒトを除く)または植物を製造する方法であって、動物(ただしヒトを除く)または植物にCRISPR-Cas3システムを導入することを含み、CRISPR-Cas3システムが以下の(A)~(C)を含む方法。
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide; and (C) a crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide [2] DNA is A method of producing an edited animal (but not human) or plant, comprising introducing a CRISPR-Cas3 system into the animal (but not human) or plant, wherein the CRISPR-Cas3 system comprises (A ) to (C).

(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
[3]真核細胞にCRISPR-Cas3システムを導入した後に、カスケードタンパク質を構成するタンパク質によりcrRNAが切断される工程を含む、[1]または[2]に記載の方法。
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide, and (C) a crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide [3] Eukaryotic After introducing the CRISPR-Cas3 system into the cell, the method according to [1] or [2], which comprises the step of cleaving the crRNA by a protein that constitutes the cascade protein.

[4]crRNAがプレcrRNAである、[1]または[2]に記載の方法。 [4] The method of [1] or [2], wherein the crRNA is pre-crRNA.

[5]Cas3タンパク質および/またはカスケードタンパク質に核移行シグナルが付加されている、[1]~[4]のいずれかに記載の方法。 [5] The method according to any one of [1] to [4], wherein a nuclear localization signal is added to the Cas3 protein and/or cascade protein.

[6]核移行シグナルがバイパルタイト核移行シグナルである、[5]に記載の方法。 [6] The method of [5], wherein the nuclear localization signal is a bipartite nuclear localization signal.

[7]以下の(A)および(B)を含む、[1]~[6]のいずれかに記載の方法に用いるためのキット。 [7] A kit for use in the method according to any one of [1] to [6], including the following (A) and (B).

(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
[8]crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチド含む発現ベクターをさらに含む、[7]に記載のキット。
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding the protein, or an expression vector comprising the polynucleotide, and (B) a cascade protein, a polynucleotide encoding the protein, or an expression vector comprising the polynucleotide [8] crRNA , a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide.

[9]crRNAがプレcrRNAである、[8]に記載のキット。 [9] The kit of [8], wherein the crRNA is pre-crRNA.

[10]Cas3タンパク質および/またはカスケードタンパク質に核移行シグナルが付加されている、[7]~[9]のいずれかに記載のキット。 [10] The kit according to any one of [7] to [9], wherein a nuclear localization signal is added to the Cas3 protein and/or the cascade protein.

[11]核移行シグナルがバイパルタイト核移行シグナルである、[10]に記載のキット。 [11] The kit of [10], wherein the nuclear localization signal is a bipartite nuclear localization signal.

なお、本明細書において、用語「ポリヌクレオチド」とはヌクレオチドの重合体を意図し、用語「遺伝子」、「核酸」または「核酸分子」と同義で使用される。ポリヌクレオチドは、DNAの形態(例えば、cDNAもしくはゲノムDNA)でも存在しうるし、RNA(例えば、mRNA)の形態でも存在しうる。また、用語「タンパク質」は、「ペプチド」または「ポリペプチド」と同義で使用される。 As used herein, the term "polynucleotide" intends a polymer of nucleotides and is used synonymously with the terms "gene", "nucleic acid" or "nucleic acid molecule". A polynucleotide can exist in the form of DNA (eg, cDNA or genomic DNA) or RNA (eg, mRNA). The term "protein" is also used synonymously with "peptide" or "polypeptide."

本発明のCRISPR-Cas3システムを用いることにより、真核細胞においてDNAを編集することが可能となった。 By using the CRISPR-Cas3 system of the present invention, it has become possible to edit DNA in eukaryotic cells.

外因性のDNAに対する切断活性を測定したSSAアッセイの結果である。It is the result of an SSA assay measuring the cleaving activity against exogenous DNA. CCR5遺伝子中における標的配列の位置を表す概略図である。Schematic representation of the location of target sequences in the CCR5 gene. CRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の一部を欠失したCCR5遺伝子(クローン1)を表す図である。It is a diagram showing the CCR5 gene (clone 1) in which part of the base sequence is deleted by the CRISPR-Cas3 system. CRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の一部を欠失したCCR5遺伝子(クローン2)を表す図である。It is a diagram showing the CCR5 gene (clone 2) in which part of the base sequence is deleted by the CRISPR-Cas3 system. CRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の一部を欠失したCCR5遺伝子(クローン3)を表す図である。It is a diagram showing the CCR5 gene (clone 3) in which part of the nucleotide sequence is deleted by the CRISPR-Cas3 system. るCRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の一部を欠失したCCR5遺伝子(クローン4)を表す図である。It is a diagram showing the CCR5 gene (clone 4) in which part of the base sequence is deleted by the CRISPR-Cas3 system. (a)は、カスケードプラスミドの構造を表す模式図である。(b)は、Cas3プラスミドの構造を表す模式図である。(c)は、プレcrRNAプラスミドの構造を表す模式図である。(d)は、レポーターベクター(標的配列を含む)の構造を表す模式図である。(a) is a schematic diagram showing the structure of a cascade plasmid. (b) is a schematic diagram showing the structure of the Cas3 plasmid. (c) is a schematic diagram showing the structure of the pre-crRNA plasmid. (d) is a schematic diagram showing the structure of the reporter vector (including the target sequence). EMX1遺伝子中における標的配列の位置を表す概略図である。Schematic representation of the location of target sequences in the EMX1 gene. CRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の一部を欠失したEMX1遺伝子(クローン1)を表す図である。By CRISPR-Cas3 system, it is a diagram showing the EMX1 gene (clone 1) in which a part of the nucleotide sequence is deleted. CRISPR-Cas3システムにより、塩基配列の他の一部を欠失したEMX1遺伝子(クローン2)を表す図である。It is a diagram showing the EMX1 gene (clone 2) in which another part of the base sequence is deleted by the CRISPR-Cas3 system. bpNLSを付加したCas3/カスケードプラスミドの構造を表す模式図である。Schematic representation of the structure of the bpNLS-added Cas3/cascade plasmid. カスケード(2A)プラスミドの構造を表す模式図である。Schematic representation of the structure of the cascade (2A) plasmid. 外因性のDNAに対する切断活性を測定したSSAアッセイの結果である。It is the result of an SSA assay measuring the cleaving activity against exogenous DNA. 本実施例に用いたプレcrRNA(LRSRおよびRSR)と成熟crRNAの構造を示す図である。図中のアンダーラインは、5’ハンドル(Cas5ハンドル)を、二重アンダーラインは、3’ハンドル(Cas6ハンドル)を示す。FIG. 2 shows the structures of pre-crRNA (LRSR and RSR) and mature crRNA used in this example. An underline in the figure indicates a 5' handle (Cas5 handle), and a double underline indicates a 3' handle (Cas6 handle). プレcrRNA(LRSRおよびRSR)と成熟crRNAを用いてSSAアッセイを行った結果を表す図である。FIG. 2 shows the results of SSA assay using pre-crRNA (LRSR and RSR) and mature crRNA. 1つのNLSまたは2つのNLS(bpNLS)をCas3/カスケード遺伝子の発現のためにプラスミドに用いてSSAアッセイを行った結果を表す図である。FIG. 3 depicts the results of SSA assays using one NLS or two NLS (bpNLS) in plasmids for expression of Cas3/cascade genes. CRISPR-Cas3システムのDNA切断活性へのPAM配列の効果を表す図である。Effect of PAM sequences on DNA cleavage activity of the CRISPR-Cas3 system. CRISPR-Cas3システムのDNA切断活性に対するスペーサーの単一ミスマッチの効果を表す図である。Effect of a single spacer mismatch on the DNA-cleaving activity of the CRISPR-Cas3 system. HDヌクレアーゼドメイン(H74A)、SF2ヘリケースドメインモチーフ1(K320A)、モチーフ3(S483/T485A)でのCas3の変異の効果を表す図である。Effect of Cas3 mutations at HD nuclease domain (H74A), SF2 helicase domain motif 1 (K320A), motif 3 (S483/T485A). タイプI-E、タイプI-F、およびタイプI-GのCRISPR-Cas3システムのDNA切断活性の比較を表す図である。FIG. 3 depicts a comparison of DNA cleavage activity of Type IE, Type IF, and Type IG CRISPR-Cas3 systems. PCR産物のTAクローニングサンプルのシークエンスにより検出したCRISPR-Cas3システムによる欠失の大きさを表す図である。FIG. 10 depicts the size of deletions by the CRISPR-Cas3 system detected by sequencing of TA cloning samples of PCR products. TAクローン(n=49)の大量処理シークエンスにより検出したCRISPR-Cas3システムによる欠失の位置を表す図である。FIG. 13 depicts the locations of deletions by the CRISPR-Cas3 system detected by extensive sequencing of TA clones (n=49). 標的にしたEMX1遺伝子座の周囲1000kb以上のマイクロアレイベースのキャプチャーシークエンスを利用して、CRISPR-Cas3システムによる欠失サイズごとの検出した数を表す図である。FIG. 4 depicts the number detected by deletion size by the CRISPR-Cas3 system using microarray-based capture sequencing of >1000 kb around the targeted EMX1 locus. 標的にしたCCR5遺伝子座の周囲1000kb以上のマイクロアレイベースのキャプチャーシークエンスを利用して、CRISPR-Cas3システムによる欠失サイズごとの検出した数を表す図である。FIG. 4 depicts the number detected by deletion size by the CRISPR-Cas3 system utilizing microarray-based capture sequencing of >1000 kb around the targeted CCR5 locus.

[1]DNAが編集された真核細胞、動物、植物を製造する方法
本発明の方法は、真核細胞にCRISPR-Cas3システムを導入することを含み、CRISPR-Cas3システムが以下の(A)~(C)を含む方法である。
[1] DNA-edited eukaryotic cells, animals, methods for producing plants The method of the present invention includes introducing the CRISPR-Cas3 system into eukaryotic cells, and the CRISPR-Cas3 system is the following (A) It is a method including ~ (C).

(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
クラス1のCRISPR-Casシステムは、タイプIおよびタイプIIIに分類され、さらに、タイプIは、カスケードを構成するタンパク質(以下、単に「カスケード」または「カスケードタンパク質」と称する。)の種類によって、タイプI-A、タイプI-B、タイプI-C、タイプI-D、タイプI-E、およびタイプI-Fの6種類、並びにタイプI-BのサブタイプであるタイプI-Gに分類される(例えば、[van der Oost J et al. (2014) Unravelling the structural and mechanistic basis of CRISPR-Cas systems, Nature Reviews Microbiologym, Vol.12 (No.7), pp.479-492]、[Jackson RN et al. (2014) Fitting CRISPR-associated Cas3 into the Helicase Family Tree, Current Opinion in Structural Biology, Vol.24, pp.106-114]を参照)。
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide; and (C) a crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide, Class 1 CRISPR- The Cas system is classified into type I and type III, and type I is classified into type IA, type IA, type It is classified into six types: IB, type IC, type ID, type IE, and type IF, and type IG, which is a subtype of type IB (for example, [ van der Oost J et al.(2014) Unraveling the structural and mechanical basis of CRISPR-Cas systems, Nature Reviews Microbiology, Vol.12 (No.7), pp.479-49 2], [Jackson RN et al. ) Fitting CRISPR-associated Cas3 into the Helicase Family Tree, Current Opinion in Structural Biology, Vol.24, pp.106-114]).

タイプIのCRISPR-Casシステムは、Cas3(ヌクレアーゼ活性およびヘリカーゼ活性を有するタンパク質)、カスケードおよびcrRNAが協同することにより、DNAを切断する機能を有する。ヌクレアーゼとしてCas3を用いることから、本発明において「CRISPR-Cas3システム」と称する。 The type I CRISPR-Cas system has the function of cleaving DNA through the cooperation of Cas3 (a protein with nuclease and helicase activity), cascade and crRNA. Since Cas3 is used as a nuclease, it is referred to as "CRISPR-Cas3 system" in the present invention.

本発明のCRISPR-Cas3システムを用いることにより、例えば、次の利点が得られる。 By using the CRISPR-Cas3 system of the present invention, for example, the following advantages are obtained.

まず、CRISPR-Cas3システムで使用されるcrRNAは、一般的には、32~37塩基の標的配列を認識する(Ming Li et al.,Nucleic Acids Res. 2017 May 5; 45(8): 4642-4654)。これに対して、CRISPR-Cas9システムで使用されるcrRNAは、一般に18~24塩基の標的配列を認識する。このため、CRISPR-Cas3システムは、CRISPR-Cas9システムよりも、より正確に標的配列を認識できると考えられる。 First, the crRNA used in the CRISPR-Cas3 system generally recognizes target sequences of 32-37 bases (Ming Li et al., Nucleic Acids Res. 2017 May 5; 45(8): 4642- 4654). In contrast, the crRNAs used in the CRISPR-Cas9 system generally recognize target sequences of 18-24 bases. Therefore, it is believed that the CRISPR-Cas3 system can recognize target sequences more accurately than the CRISPR-Cas9 system.

また、クラス2のタイプIIのシステムであるCRISPR-Cas9システムのPAM配列は、標的配列の3’側に隣接する「NGG(Nは任意の塩基)」である。また、クラス2のタイプVのシステムであるCRISPR-Cpf1システムのPAM配列は、標的配列の5’側に隣接する「AA」である。これに対して、本発明のCRISPR-Cas3システムのPAM配列は、標的配列の5’側に隣接する「AAG」またはそれに類似した塩基配列(例えば、「AGG」、「GAG」、「TAC」、「ATG」、「TAG」等)である(図12)。したがって、本発明のCRISPR-Cas3システムを用いれば、従来法では認識できなかった領域を、DNA編集の対象にできると考えられる。 In addition, the PAM sequence of the CRISPR-Cas9 system, which is a class 2 type II system, is "NGG (N is any base)" adjacent to the 3' side of the target sequence. Also, the PAM sequence of the CRISPR-Cpf1 system, which is a class 2 type V system, is the 'AA' that flanks the 5' side of the target sequence. In contrast, the PAM sequence of the CRISPR-Cas3 system of the present invention is "AAG" or a nucleotide sequence similar thereto (e.g., "AGG", "GAG", "TAC", "ATG", "TAG", etc.) (FIG. 12). Therefore, by using the CRISPR-Cas3 system of the present invention, it is believed that regions that could not be recognized by conventional methods can be targeted for DNA editing.

さらに、CRISPR-Cas3システムは、上記クラス2のCRISPR-Casシステムと異なり、複数箇所にDNA切断を生じさせる。このため、本発明のCRISPR-Cas3システムを用いれば、百~数千塩基、場合によりそれ以上の広範な欠失変異を生じさせることができる(図3、6、16~18)。この機能により、長いゲノム領域をノックアウトしたり、長いDNAをノックインしたりすることに利用できると考えられる。ノックインを行う場合には、通常、ドナーDNAが用いられ、当該ドナーDNAも、本発明のCRISPR-Cas3システムを構成する分子となる。 Furthermore, unlike the Class 2 CRISPR-Cas system, the CRISPR-Cas3 system causes DNA cleavage at multiple sites. Therefore, using the CRISPR-Cas3 system of the present invention, it is possible to generate a wide range of deletion mutations ranging from one hundred to several thousand bases, possibly more (FIGS. 3, 6, 16-18). It is thought that this function can be used for knocking out long genomic regions or knocking in long DNAs. When performing knock-in, donor DNA is usually used, and the donor DNA is also a molecule that constitutes the CRISPR-Cas3 system of the present invention.

なお、本明細書において、単に「Cas3」と記載した場合は、「Cas3タンパク質」を意味するものとする。カスケードタンパク質についても同様である。 In addition, in this specification, when simply described as "Cas3", it shall mean "Cas3 protein". The same is true for cascade proteins.

本発明のCRISPR-Cas3システムは、タイプIの6種類のサブタイプのすべてを包含する。すなわち、CRISPR-Cas3システムを構成するタンパク質は、サブタイプにより、若干その構成などが異なる場合がある(例えば、カスケードを構成するタンパク質が異なる)が、本発明は、これらのタンパク質の全てを包含する。実際、本実施例において、タイプI-Eのみならず、タイプ1-GやタイプI-Fのシステムにおいても、ゲノム編集が可能であることが判明した(図15)。 The CRISPR-Cas3 system of the present invention encompasses all six subtypes of Type I. That is, the proteins that make up the CRISPR-Cas3 system may have slightly different configurations depending on the subtype (eg, different proteins that make up the cascade), but the present invention includes all of these proteins. . Actually, in this example, it was found that genome editing is possible not only in the type IE system, but also in the type 1-G and type IF systems (Fig. 15).

タイプIのCRISPR-Cas3システムの中でも一般的であるタイプI-EのCRISPR-Cas3システムは、crRNAがCas3およびカスケード(Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6、およびCas7)と協同することにより、DNAを切断する。 The Type I-E CRISPR-Cas3 system, which is common among Type I CRISPR-Cas3 systems, co-operates crRNA with Cas3 and cascades (Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6, and Cas7) This cuts the DNA.

タイプI-Aのシステムでは、カスケードとしてCas8a1、Csa5(Cas11)、Cas5、Cas6、およびCas7を構成要素とし、タイプI-Bでは、カスケードとしてCas8b1、Cas5、Cas6、およびCas7を構成要素とし、タイプI-Cでは、カスケードとしてCas8c、Cas5、およびCas7を構成要素とし、タイプI-Dでは、カスケードとしてCas10d、Csc1(Cas5)、Cas6、およびCsc2(Cas7)を構成要素とし、タイプI-Fでは、カスケードとしてCsy1(Cas8f)、Csy2(Cas5)、Cas6、およびCsy3(Cas7)を構成要素とし、タイプI-Gのシステムでは、カスケードとしてCst1(Cas8a1)、Cas5、Cas6、およびCst2(Cas7)を構成要素とする。本発明においては、Cas3およびカスケードを総称して「Casタンパク質群」と称する。 Type IA system has Cas8a1, Csa5 (Cas11), Cas5, Cas6, and Cas7 as cascades, and Type IB has Cas8b1, Cas5, Cas6, and Cas7 as cascades, and type In IC, Cas8c, Cas5, and Cas7 as cascades, in Type ID, Cas10d, Csc1 (Cas5), Cas6, and Csc2 (Cas7) as cascades, and in Type I-F , with Csy1 (Cas8f), Csy2 (Cas5), Cas6, and Csy3 (Cas7) as cascades, and in type IG systems, Cst1 (Cas8a1), Cas5, Cas6, and Cst2 (Cas7) as cascades. be a component. In the present invention, Cas3 and cascades are collectively referred to as "Cas protein family".

以下、タイプI-EのCRISPR-Cas3システムを代表例として説明するが、その他のタイプのCRISPR-Cas3システムについては、システムを構成するカスケードを、適宜、読み替えればよい。 Hereinafter, the type IE CRISPR-Cas3 system will be described as a representative example, but for other types of CRISPR-Cas3 systems, the cascades that make up the system may be read as appropriate.

-Casタンパク質群-
本発明のCRISPR-Cas3システムにおいて、Casタンパク質群は、タンパク質の形態で、当該タンパク質をコードするポリヌクレオチドの形態で、あるいは、当該ポリヌクレオチドを含む発現ベクターの形態で、真核細胞に導入することができる。Casタンパク質群をタンパク質の形態で真核細胞に導入する場合には、各タンパク質の量等を適宜調製することが可能であり、ハンドリングの観点で優れている。また、細胞内での切断効率等を考慮して、Casタンパク質群の複合体を先に形成させた後に、真核細胞へ導入することもできる。
-Cas protein group-
In the CRISPR-Cas3 system of the present invention, the Cas protein group is introduced into a eukaryotic cell in the form of a protein, in the form of a polynucleotide encoding the protein, or in the form of an expression vector containing the polynucleotide. can be done. When Cas proteins are introduced into eukaryotic cells in the form of proteins, the amount of each protein can be adjusted as appropriate, which is advantageous in terms of handling. In addition, taking into consideration the intracellular cleavage efficiency and the like, it is also possible to first form a complex of the Cas protein group and then introduce it into eukaryotic cells.

本発明においては、Casタンパク質群に、核移行シグナルを付加することが好ましい。核移行シグナルは、Casタンパク質群のN末端側および/またはC末端側(各Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの5’末端側および/または3’末端側)に付加され得る。このように、Casタンパク質群に核移行シグナルを付加することにより、細胞内で核への局在が促進され、その結果、DNAの編集が効率的に行われるという利点を有する。 In the present invention, it is preferable to add a nuclear localization signal to the Cas protein group. The nuclear localization signal can be added to the N-terminal side and/or C-terminal side of the Cas protein group (5'-terminal side and/or 3'-terminal side of the polynucleotide encoding each Cas protein group). Thus, by adding a nuclear localization signal to the Cas protein group, localization to the nucleus is promoted within the cell, resulting in the advantage of efficient DNA editing.

上記の核移行シグナルは、数個から数十個の塩基性アミノ酸からなるペプチド配列であり、タンパク質を核内へ移行させるものであれば、その配列は特段限定されない。このような核移行シグナルの具体例は、例えば[Wu J et al. (2009) The Intracellular Mobility of Nuclear Import Receptors and NLS Cargoes, Biophysical journal , Vol.96 (Issue 9), pp.3840-3849]に記載されており、当該技術分野で通常使用される任意の核移行シグナルが、本発明において使用され得る。 The nuclear localization signal is a peptide sequence consisting of several to several tens of basic amino acids, and the sequence is not particularly limited as long as it translocates the protein into the nucleus. Specific examples of such nuclear localization signals are described, for example, in [Wu J et al. (2009) The Intracellular Mobility of Nuclear Import Receptors and NLS Cargoes, Biophysical journal, Vol. 96 (Issue 9), pp. 3840-3849] and commonly used in the art can be used in the present invention.

核移行シグナルは、例えば、PKKKRKV(配列番号52)(塩基配列CCCAAGAAGAAGCGGAAGGTG(配列番号53)によりコード)であり得る。上記核移行シグナルを用いる場合、例えば、Casタンパク質群をコードする各ポリヌクレオチドの5’末端側に、配列番号53の塩基配列からなるポリヌクレオチドを配置することが好ましい。また、核移行シグナルは、例えば、KRTADGSEFESPKKKRKVE(配列番号54)(塩基配列AAGCGGACTGCTGATGGCAGTGAATTTGAGTCCCCAAAGAAGAAGAGAAAGGTGGAA(配列番号55)によりコード)であり得る。上記核移行シグナルを用いる場合、例えば、Casタンパク質群をコードする各ポリヌクレオチドの両端に、配列番号55の塩基配列からなるポリヌクレオチドを配置すること(すなわち、「バイパルタイト核移行シグナル(bpNLS)」を用いること)が好ましい。 The nuclear localization signal can be, for example, PKKKRKV (SEQ ID NO:52) (encoded by the sequence CCCAAGAAGAAGCGGAAGGTG (SEQ ID NO:53)). When using the nuclear localization signal, for example, it is preferable to place a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 53 at the 5' end of each polynucleotide encoding the Cas protein group. The nuclear localization signal can also be, for example, KRTADGSEFESPKKKRKVE (SEQ ID NO: 54) (encoded by the nucleotide sequence AAGCGGACTGCTGATGGCAGTGAATTTGAGTCCCAAAGAAGAAGAAGAGAAAGGTGGAA (SEQ ID NO: 55)). When using the nuclear localization signal, for example, placing a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 55 at both ends of each polynucleotide encoding the Cas protein group (i.e., "bipartite nuclear localization signal (bpNLS)" use) is preferred.

このような改変は、後述のプレcrRNAの利用と相俟って、本発明のCRISPR-Cas3システムを真核細胞内で効率的に発現および機能させる上で重要である。 Such modifications, together with the use of pre-crRNA described below, are important for efficient expression and function of the CRISPR-Cas3 system of the present invention in eukaryotic cells.

本発明に用いられるCasタンパク質群の一つの好ましい態様は、以下である。
Cas3;配列番号1または配列番号7で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
Cse1(Cas8);配列番号2または配列番号8で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
Cse2(Cas11);配列番号3または配列番号9で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
Cas5;配列番号4または配列番号10で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
Cas6;配列番号5または配列番号11で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
Cas7;配列番号6または配列番号12で示される塩基配列からなるポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質
上記Casタンパク質群は、(1)野生型大腸菌のCas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6、Cas7のN末端に、核移行シグナルとしてPKKKRKV(配列番号52)を付加したタンパク質、または(2)野生型大腸菌のCas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6、Cas7のN末端およびC末端に、核移行シグナルとしてKRTADGSEFESPKKKRKVE(配列番号54)を付加したタンパク質である。このようなアミノ酸配列のタンパク質とすることにより、上記Casタンパク質群を真核細胞の核内へ移行させることができる。このようにして核内に移行した上記Casタンパク質群は、標的のDNAを切断する。また、CRISPAR-Cas9システムでは困難であると考えられている、強固な構造を有するDNA領域(ヘテロクロマチンなど)においても、標的のDNAの編集が可能となる。
One preferred embodiment of the Cas protein group used in the present invention is as follows.
Cas3; protein Cse1 (Cas8) encoded by the polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 7; protein Cse2 encoded by the polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 8 (Cas11); Protein Cas5 encoded by a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 3 or SEQ ID NO: 9; Protein Cas6 encoded by a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 10; Protein Cas7 encoded by a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 5 or SEQ ID NO: 11; protein encoded by a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 6 or SEQ ID NO: 12 (1) wild-type E. coli Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6, the N-terminal of Cas7, protein added PKKKRKV (SEQ ID NO: 52) as a nuclear localization signal, or (2) wild-type E. coli Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6, to the N-terminus and C-terminus of Cas7, KRTADGSEFESPKKKRKVE (SEQ ID NO: 54) as a nuclear localization signal protein. The Cas protein group can be translocated into the nucleus of eukaryotic cells by using a protein having such an amino acid sequence. The Cas protein group thus translocated into the nucleus cleaves the target DNA. In addition, it is possible to edit the target DNA even in a DNA region with a strong structure (such as heterochromatin), which is considered difficult with the CRISPAR-Cas9 system.

本発明に用いられるCasタンパク質群の各タンパク質の他の一つの態様は、上記Casタンパク質群の塩基配列と90%以上の配列同一性を有する塩基配列によりコードされるタンパク質である。本発明に用いられるCasタンパク質群の各タンパク質の他の一つの態様は、上記Casタンパク質群の塩基配列と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件でハイブリダイズするポリヌクレオチドによりコードされるタンパク質である。上記の各タンパク質は、Casタンパク質群を構成する他のタンパク質と複合体を形成したときにDNA切断活性を有するものである。なお、「配列同一性」、「ストリンジェントな条件」などの用語の意味は後述する。 Another aspect of each protein of the Cas protein group used in the present invention is a protein encoded by a nucleotide sequence having 90% or more sequence identity with the nucleotide sequence of the Cas protein group. Another aspect of each protein of the Cas protein group used in the present invention is encoded by a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide consisting of a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the Cas protein group. It is a protein that Each of the above proteins has DNA-cleaving activity when forming a complex with other proteins that constitute the Cas protein group. The meanings of terms such as "sequence identity" and "stringent conditions" will be described later.

-Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチド-
タイプI-EのCRISPR-Casシステムを構成する野生型のタンパク質をコードするポリヌクレオチドは、真核細胞内で効率的に発現するように改変を施したポリヌクレオチドを含む。すなわち、Casタンパク質群をコードし、改変が施されたポリヌクレオチドを用いることができる。ポリヌクレオチドの改変の一つの好ましい態様は、真核細胞内での発現に適した塩基配列への改変であり、例えば、真核細胞内で発現するようにコドンを最適化することである。
-Polynucleotides encoding Cas protein group-
Polynucleotides encoding wild-type proteins that constitute the type IE CRISPR-Cas system include polynucleotides that have been modified for efficient expression in eukaryotic cells. That is, a modified polynucleotide that encodes the Cas protein group can be used. One preferred aspect of modification of a polynucleotide is modification to a base sequence suitable for expression in eukaryotic cells, for example, optimizing codons for expression in eukaryotic cells.

本発明に用いられるCasタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの一つの好ましい態様は、以下である。
Cas3;配列番号1または配列番号7で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
Cse1(Cas8);配列番号2または配列番号8で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
Cse2(Cas11);配列番号3または配列番号9で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
Cas5;配列番号4または配列番号10で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
Cas6;配列番号5または配列番号11で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
Cas7;配列番号6または配列番号12で示される塩基配列からなるポリヌクレオチド
これらは、大腸菌の野生型Casタンパク質群をコードする塩基配列(Cas3;配列番号13、Cse1(Cas8);配列番号14、Cse2(Cas11);配列番号15、Cas5;配列番号16、Cas6;配列番号17、Cas7;配列番号18)を、人工的に改変することにより、哺乳動物細胞において発現および機能できるようにしたポリヌクレオチドである。
One preferred embodiment of the polynucleotide encoding the Cas protein group used in the present invention is as follows.
Cas3; Polynucleotide Cse1 (Cas8) consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 7; Polynucleotide Cse2 (Cas11) consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 8; SEQ ID NO: 3 or SEQ ID NO Polynucleotide Cas5 consisting of the nucleotide sequence shown in 9; Polynucleotide Cas6 consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 10; Polynucleotide Cas7 consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 5 or SEQ ID NO: 11; 6 or a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 12 These are the nucleotide sequences encoding the wild-type Cas protein group of E. coli (Cas3; SEQ ID NO: 13, Cse1 (Cas8); SEQ ID NO: 14, Cse2 (Cas11); SEQ ID NO: 15, Cas5; SEQ ID NO: 16, Cas6; SEQ ID NO: 17, Cas7; SEQ ID NO: 18) is artificially modified so that it can be expressed and functioned in mammalian cells.

上記のポリヌクレオチドの人工的な改変は、真核細胞内での発現に適した塩基配列に改変し、かつ、核移行シグナルを付加することである。塩基配列の改変および核移行シグナルの付加については、上記した通りである。これにより、より十分なCasタンパク質群の発現量の上昇、ならびに機能の増大が期待できる。 Artificial modification of the above-mentioned polynucleotide is to modify the base sequence to be suitable for expression in eukaryotic cells and to add a nuclear localization signal. Modification of nucleotide sequences and addition of nuclear localization signals are as described above. As a result, a more sufficient increase in the expression level of the Cas protein group and an increase in function can be expected.

本発明に用いられるCasタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの他の一つの態様は、上記Casタンパク質群の塩基配列と90%以上の配列同一性を有する塩基配列からなる、野生型のCasタンパク質群をコードする塩基配列を改変したポリヌクレオチドである。これら各ポリヌクレオチドから発現したタンパク質は、Casタンパク質群を構成する他のポリヌクレオチドから発現したタンパク質と複合体を形成したときにDNA切断活性を有するものである。 Another aspect of the polynucleotide encoding the Cas protein group used in the present invention is a wild-type Cas protein group consisting of a nucleotide sequence having a sequence identity of 90% or more with the nucleotide sequence of the Cas protein group. It is a polynucleotide whose coding base sequence has been modified. Proteins expressed from these polynucleotides have DNA-cleaving activity when complexed with proteins expressed from other polynucleotides constituting the Cas protein group.

塩基配列の配列同一性は、塩基配列全体(またはCse3の機能に必要な部分をコードしている領域)において、少なくともは90%以上、より好ましくは95%以上(例えば、95%、96%、97%、98%、99%以上)でありうる。塩基配列の同一性は、BLASTNなどのプログラムを利用して、決定することができる([Altschul SF (1990) Basic local alignment search tool, Journal of Molecular Biology, Vol.215 (Issue 3), pp.403-410]を参照)。BLASTNによって塩基配列を解析する場合のパラメーターの一例としては、score=100、wordlength=12の設定が挙げられる。BLASTNによる解析を行うための具体的な手法は、当業者に知られている。比較対象の塩基配列を最適な状態にアラインメントするために、付加または欠失(ギャップなど)を許容してもよい。 The sequence identity of the base sequences is at least 90% or more, more preferably 95% or more (e.g., 95%, 96%, 97%, 98%, 99% or more). The identity of nucleotide sequences can be determined using programs such as BLASTN ([Altschul SF (1990) Basic local alignment search tool, Journal of Molecular Biology, Vol. 215 (Issue 3), pp. 403 -410]). An example of parameters for analyzing a base sequence by BLASTN is setting score=100 and wordlength=12. Specific techniques for performing BLASTN analysis are known to those skilled in the art. Additions or deletions (such as gaps) may be allowed in order to optimally align the base sequences to be compared.

また、「DNA切断活性を有する」とは、ポリヌクレオチド鎖を少なくとも1箇所において切断できることを意図する。 Moreover, "having DNA cleaving activity" intends to be capable of cleaving a polynucleotide chain at at least one site.

本発明のCRISPR-Cas3システムは、標的配列を特異的に認識してDNAを切断することが好ましい。CRISPR-Cas3システムが標的配列を特異的に認識しているか否かは、例えば、実施例A-1に説明されているdual-Luciferaseアッセイによって知ることができる。 The CRISPR-Cas3 system of the present invention preferably specifically recognizes the target sequence and cleaves DNA. Whether the CRISPR-Cas3 system specifically recognizes the target sequence can be known, for example, by the dual-Luciferase assay described in Example A-1.

本発明に用いられるCasタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの他の一つの態様は、上記Casタンパク質群の塩基配列と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件でハイブリダイズするポリヌクレオチドである。これら各ポリヌクレオチドから発現したタンパク質は、Casタンパク質群を構成する他のポリヌクレオチドから発現したタンパク質と複合体を形成したときにDNA切断活性を有するものである。 Another aspect of the polynucleotide encoding the Cas protein group used in the present invention is a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide consisting of a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the Cas protein group. be. Proteins expressed from these polynucleotides have DNA-cleaving activity when complexed with proteins expressed from other polynucleotides constituting the Cas protein group.

ここで「ストリンジェントな条件」とは、2本のポリヌクレオチド鎖が、塩基配列に特異的な2本鎖のポリヌクレオチドを形成するが、非特異的な2本鎖のポリヌクレオチドは形成しない条件をいう。「ストリンジェントな条件でハイブリダイズする」とは、換言すれば、配列同一性が高い核酸同士(例えば完全にマッチしたハイブリッド)の融解温度(Tm値)から15℃低い温度、好ましくは10℃低い温度、より好ましくは5℃低い温度までの温度範囲において、ハイブリダイズできる条件ともいえる。 Here, the term "stringent conditions" refers to conditions in which two polynucleotide chains form a double-stranded polynucleotide specific to a base sequence, but do not form a non-specific double-stranded polynucleotide. Say. "Hybridize under stringent conditions" means, in other words, a temperature 15°C lower than the melting temperature (Tm value) of nucleic acids with high sequence identity (e.g. perfectly matched hybrid), preferably 10°C lower It can be said that the temperature, more preferably a temperature range up to a temperature lower by 5° C., is a condition under which hybridization is possible.

ストリンジェントな条件の一例を示すと、以下の通りである。まず、0.25M NaHPO、7%SDS、1mM EDTA、1×デンハルト溶液からなる緩衝液(pH7.2)中、60~68℃(好ましくは65℃、より好ましくは68℃)にて、16~24時間、2種類のポリヌクレオチドをハイブリダイズさせる。その後、20mM NaHPO、1% SDS、1mM EDTAからなる緩衝液(pH7.2)中、60~68℃(好ましくは65℃、より好ましくは68℃)にて、15分間の洗浄を2回行う。 An example of stringent conditions is as follows. First, in a buffer solution (pH 7.2) consisting of 0.25 M Na 2 HPO 4 , 7% SDS, 1 mM EDTA, and 1× Denhardt's solution, at 60 to 68° C. (preferably 65° C., more preferably 68° C.). , for 16-24 hours, to allow the two polynucleotides to hybridize. After that, two 15 minute washes were performed at 60 to 68°C (preferably 65°C, more preferably 68°C) in a buffer solution (pH 7.2) consisting of 20mM Na 2 HPO 4 , 1% SDS and 1mM EDTA. times.

他の例としては、以下の方法が挙げられる。まず、25%ホルムアミド(より厳しい条件では50%ホルムアミド)、4×SSC(塩化ナトリウム/クエン酸ナトリウム)、50mM Hepes(pH7.0)、10×デンハルト溶液、20μg/mL変性サケ精子DNAを含むハイブリダイゼーション溶液中、42℃にて、一晩プレハイブリダイゼーションを行った後、標識したプローブを添加し、42℃で一晩保温することにより、2種類のポリヌクレオチドのハイブリダイゼーションを行う。 Other examples include the following method. First, hyaluronic acid containing 25% formamide (50% formamide for more stringent conditions), 4x SSC (sodium chloride/sodium citrate), 50 mM Hepes (pH 7.0), 10x Denhardt's solution, 20 µg/mL denatured salmon sperm DNA. After overnight prehybridization in a hybridization solution at 42°C, a labeled probe is added and incubated overnight at 42°C to allow hybridization of the two polynucleotides.

次に、次の条件のいずれかで洗浄を行う。通常の条件;1×SSCおよび0.1% SDSを洗浄液として、37℃程度で洗浄。厳しい条件;.5×SSCおよび0.1% SDS洗浄液として、42℃程度で洗浄。さらに厳しい条件;0.2×SSCおよび0.1% SDSを洗浄液として、65℃程度で洗浄。 Next, washing is performed under any of the following conditions. Normal conditions: washing at about 37° C. with 1×SSC and 0.1% SDS as a washing solution. harsh conditions; Wash at about 42° C. with 5×SSC and 0.1% SDS washing solution. More stringent conditions; washing at about 65° C. using 0.2×SSC and 0.1% SDS as a washing solution.

このようにハイブリダイゼーションの洗浄の条件が厳しくなるほど、特異性の高いハイブリダイズとなる。なお、上記SSC、SDSおよび温度の条件の組み合わせは、単なる例示に過ぎない。ハイブリダイゼーションのストリンジェンシーを決定する上述の要素、または他の要素(例えば、プローブ濃度、プローブの長さ、ハイブリダイゼーション反応時間など)を適宜組み合わせることにより、上記と同様のストリンジェンシーを実現することができる。このことは、例えば、[Joseph Sambrook & David W. Russell, Molecular cloning: a laboratory manual 3rd Ed., New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001]などに記載されている。 Thus, the stricter the washing conditions for hybridization, the higher the specificity of hybridization. It should be noted that the above combination of SSC, SDS and temperature conditions is merely an example. Stringency similar to the above can be achieved by appropriately combining the above factors that determine hybridization stringency or other factors (e.g., probe concentration, probe length, hybridization reaction time, etc.). can. This is described, for example, in [Joseph Sambrook & David W. Russell, Molecular cloning: a laboratory manual 3rd Ed. , New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001].

-Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチドを含む発現ベクター-
本発明においては、Casタンパク質群を発現させるための発現ベクターを利用することができる。発現ベクターは、基材ベクターとして、一般的に使用される種々のベクターを用いることができ、導入される細胞または導入方法に応じて適宜選択されうる。具体的には、プラスミド、ファージ、コスミドなどを用いることができる。ベクターの具体的な種類は特に限定されるものではなく、宿主細胞中で発現可能なベクターを適宜選択すればよい。
-Expression vector containing a polynucleotide encoding a Cas protein group-
In the present invention, an expression vector for expressing the Cas protein group can be used. Various commonly used vectors can be used as the base vector for the expression vector, and can be appropriately selected according to the cell to be introduced or the method of introduction. Specifically, plasmids, phages, cosmids and the like can be used. The specific type of vector is not particularly limited, and a vector that can be expressed in host cells may be appropriately selected.

上述した発現ベクターの例としては、ファージベクター、プラスミドベクター、ウイルスベクター、レトロウイルスベクター、染色体ベクター、エピソームベクターおよびウイルス由来ベクター(細菌プラスミド、バクテリオファージ、酵母エピソームなど)、酵母染色体エレメントおよびウイルス(バキュロウイルス、パポバウイルス、ワクシニアウイルス、アデノウイルス、トリポックスウイルス、仮性狂犬病ウイルス、ヘルペスウイルス、レンチウイルス、レトロウイルスなど)、および、それらの組み合わせに由来するベクター(コスミド、ファージミドなど)を挙げられる。 Examples of the expression vectors mentioned above include phage vectors, plasmid vectors, viral vectors, retroviral vectors, chromosomal vectors, episomal vectors and virus-derived vectors (bacterial plasmids, bacteriophages, yeast episomes, etc.), yeast chromosomal elements and viruses (baculoviruses). viruses, papovaviruses, vaccinia viruses, adenoviruses, avian poxviruses, pseudorabies viruses, herpesviruses, lentiviruses, retroviruses, etc.), and vectors derived from combinations thereof (cosmids, phagemids, etc.).

発現ベクターは、さらに、転写開始および転写終結のための部位を含んでおり、かつ、転写領域中にリボソーム結合部位を含んでいることが好ましい。ベクター中の成熟転写物のコード部分は、翻訳されるべきポリペプチドの始めに転写開始コドンAUGを含み、そして終わりに適切に位置される終止コドンを含むことになる。 The expression vector further contains sites for transcription initiation and termination, and preferably contains a ribosome binding site in the transcribed region. The coding portion of the mature transcript in the vector will contain a transcription initiation codon AUG at the beginning of the polypeptide to be translated and an appropriately positioned stop codon at the end.

本発明において、Casタンパク質群を発現させるための発現ベクターは、プロモーター配列を含んでいてよい。上記プロモーター配列は、宿主となる真核細胞の種類に応じて適宜選択すればよい。また、発現ベクターは、DNAからの転写を亢進させるための配列、例えば、エンハンサー配列を含んでいてよい。エンハンサーとしては、例えば、SV40エンハンサー(これは、複製起点の下流の100~270bpに配置される)、サイトメガロウイルスの初期プロモーターエンハンサー、複製起点の下流に配置されるポリオーマエンハンサーおよびアデノウイルスエンハンサーが挙げられる。また、発現ベクターは、転写されたRNAを安定化させるための配列、例えば、ポリA付加配列(ポリアデニル化配列、polyA)を含んでいてよい。ポリA付加配列の例としては、成長ホルモン遺伝子由来のポリA付加配列、ウシ成長ホルモン遺伝子由来のポリA付加配列、ヒト成長ホルモン遺伝子由来ポリA付加配列、SV40ウイルス由来ポリA付加配列、ヒトまたはウサギのβグロビン遺伝子由来のポリA付加配列が挙げられる。 In the present invention, the expression vector for expressing the Cas protein group may contain a promoter sequence. The above promoter sequence may be appropriately selected according to the type of eukaryotic host cell. Expression vectors may also contain sequences for enhancing transcription from DNA, such as enhancer sequences. Enhancers include, for example, the SV40 enhancer (located 100-270 bp downstream of the replication origin), the cytomegalovirus early promoter enhancer, the polyoma enhancer located downstream of the replication origin, and the adenovirus enhancer. mentioned. The expression vector may also contain sequences for stabilizing the transcribed RNA, such as poly-A addition sequences (polyadenylation sequences, polyA). Examples of poly A addition sequences include growth hormone gene-derived poly A addition sequences, bovine growth hormone gene-derived poly A addition sequences, human growth hormone gene-derived poly A addition sequences, SV40 virus-derived poly A addition sequences, human or A poly A addition sequence derived from the rabbit β-globin gene is included.

同一のベクター内に組み込まれるCasタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの数は、発現ベクターを導入した宿主細胞内でCRISPR-Casシステムの機能を発揮しうる限りにおいて、特に限定されない。例えば、Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチドを1種類の(同一の)ベクターに搭載するという設計が可能であり、また、さらに、各Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチドの全てまたは一部を別々のベクターに搭載するという設計も可能である。例えば、カスケードタンパク質をコードするポリヌクレオチドを1種類の(同一の)ベクターに搭載し、Cas3をコードするポリヌクレオチドを別のベクターに搭載するという設計が可能である。好ましくは、発現効率等の観点から、各Casタンパク質群をコードするポリヌクレオチドを別々の6種類のベクターに搭載する方法が用いられる。 The number of polynucleotides encoding the Cas protein group incorporated into the same vector is not particularly limited as long as the function of the CRISPR-Cas system can be exhibited in the host cell into which the expression vector has been introduced. For example, it is possible to design that the polynucleotide encoding the Cas protein group is mounted on one (same) vector, and further, all or part of the polynucleotide encoding each Cas protein group is separately It can also be designed to be mounted on a vector. For example, it is possible to design a polynucleotide encoding a cascade protein on one (identical) vector and a polynucleotide encoding Cas3 on another vector. Preferably, from the viewpoint of expression efficiency and the like, a method of loading polynucleotides encoding each Cas protein group into six different vectors is used.

その他、発現量を調節するなどの目的のために、同一のベクター中に、同じタンパク質をコードするポリヌクレオチドを複数搭載してもよい。例えば、Cas3をコードするのポリヌクレオチドを1種類の(同一の)ベクター内の2箇所に配置するという設計が可能である。 In addition, multiple polynucleotides encoding the same protein may be mounted in the same vector for purposes such as regulating the expression level. For example, it is possible to design a Cas3-encoding polynucleotide at two locations within one (same) vector.

また、Casタンパク質群をコードする複数の塩基配列を含んでおり、当該複数の塩基配列の間には、細胞内のプロテアーゼにより切断されるアミノ酸配列(2Aペプチドなど)をコードする塩基配列が挿入されている発現ベクターを用いてもよい(例えば、図8のベクターの構造を参照)。このような塩基配列を有するポリヌクレオチドが転写・翻訳されると、細胞内で一つに連結されたポリペプチド鎖が発現する。その後、細胞内プロテアーゼの作用により、Casタンパク質群が分離され、個別のタンパク質となった後に複合体を形成し、機能する。これにより、細胞内で発現するCasタンパク質群の量比を調整することができる。例えば、「Cas3をコードする塩基配列とCse1(Cas8)をコードする塩基配列とを1つずつ含む発現ベクター」からは、Cas3とCse1(Cas8)とが、等量発現することが予測される。また、一種類の発現ベクターで複数のCasタンパク質群を発現させることが可能であるため、ハンドリング性に優れる点で有利である。一方、DNA切断活性の高さの観点からは、通常、Casタンパク質群を各々異なる発現ベクターにより発現させる態様の方が優れている。 In addition, it contains a plurality of nucleotide sequences encoding Cas proteins, and between the plurality of nucleotide sequences, a nucleotide sequence encoding an amino acid sequence (2A peptide, etc.) that is cleaved by intracellular proteases is inserted. (see, eg, vector construction in FIG. 8). When a polynucleotide having such a nucleotide sequence is transcribed and translated, a single linked polypeptide chain is expressed in the cell. After that, the Cas protein group is separated by the action of intracellular protease, and after becoming individual proteins, a complex is formed and functions. Thereby, the quantitative ratio of the Cas protein group expressed in cells can be adjusted. For example, from the "expression vector containing one nucleotide sequence encoding Cas3 and one nucleotide sequence encoding Cse1 (Cas8)", Cas3 and Csel (Cas8) are predicted to be expressed in equal amounts. In addition, since it is possible to express a plurality of Cas protein groups with one type of expression vector, it is advantageous in terms of excellent handleability. On the other hand, from the viewpoint of high DNA cleavage activity, it is usually better to express Cas proteins using different expression vectors.

本発明に用いられる発現ベクターは、公知の手法によって作製することができる。このような手法としては、ベクターを作製用のキットに付属する実施マニュアルに記載の手法に加え、種々の手引書に記載の手法が挙げられる。例えば、[Joseph Sambrook & David W. Russell, Molecular cloning: a laboratory manual 3rd Ed., New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001]は、包括的な手引書である。 Expression vectors used in the present invention can be produced by known techniques. Examples of such techniques include the techniques described in various guidebooks, in addition to the techniques described in the implementation manuals attached to kits for constructing vectors. For example, [Joseph Sambrook & David W. Russell, Molecular cloning: a laboratory manual 3rd Ed. , New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001] is a comprehensive guide.

-crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター-
本発明のCRISPR-Cas3システムは、ゲノム編集を行うDNAへの標的化のために、crRNA、crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクターを含む。
-crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide-
The CRISPR-Cas3 system of the present invention includes crRNA, polynucleotides encoding crRNA, or expression vectors containing such polynucleotides for targeting DNA for genome editing.

crRNAは、CRISPR-Casシステムの一部を形成するRNAであり、標的配列と相補的な塩基配列を有する。本発明のCRISPR-Cas3システムは、crRNAにより、標的配列を特異的に認識してその配列を切断することを可能とする。CRISPR-Cas9システムを代表とするCRISPR-Casシステムにおいては、これまでcRNAとして、通常、成熟crRNAが用いられてきた。しかしながら、CRISPR-Cas3システムを真核細胞で機能させる場合においては、その理由は明らかではないが、成熟crRNAの利用は適さないことが明らかとなった。そして、驚くべきことに、成熟crRNAに代えて、プレcrRNAを利用することにより、真核細胞において高効率でゲノム編集を行うことが可能であることが判明した。この事実は、成熟crRNAとプレcrRNAとの対比実験から明らかである(図10)。従って、本発明のcrRNAとしては、プレcrRNAを用いることが特に好ましい。 crRNAs are RNAs that form part of the CRISPR-Cas system and have base sequences complementary to target sequences. The CRISPR-Cas3 system of the present invention enables crRNA to specifically recognize and cleave a target sequence. In the CRISPR-Cas system typified by the CRISPR-Cas9 system, conventionally mature crRNA has been used as cRNA. However, in the case of making the CRISPR-Cas3 system function in eukaryotic cells, although the reason is not clear, it became clear that the use of mature crRNA is not suitable. Surprisingly, it was found that it is possible to perform genome editing in eukaryotic cells with high efficiency by using pre-crRNA instead of mature crRNA. This fact is evident from contrast experiments between mature crRNA and pre-crRNA (Fig. 10). Therefore, it is particularly preferable to use pre-crRNA as the crRNA of the present invention.

本発明に用いるプレcrRNAは、典型的には、「リーダー配列-リピート配列-スペーサー配列-リピート配列(LRSR構造)」または「リピート配列-スペーサー配列-リピート配列(RSR構造)」の構造を有する。リーダー配列は、ATリッチな配列で、プレcrRNAを発現させるプロモーターとして機能する。リピート配列は、スペーサー配列を介して反復している配列であり、スペーサー配列は、標的DNAに相補的な配列として本発明において設計する配列である(本来は、アダプテーションの過程において取り込まれた、外来DNA由来の配列である)。プレcrRNAは、カスケードを構成するタンパク質(例えば、タイプI-A、B、D~EではCas6、タイプI-CではCas5)により切断されると成熟crRNAとなる。 The pre-crRNA used in the present invention typically has a structure of “leader sequence-repeat sequence-spacer sequence-repeat sequence (LRSR structure)” or “repeat sequence-spacer sequence-repeat sequence (RSR structure)”. The leader sequence is an AT-rich sequence and functions as a promoter to express the pre-crRNA. A repeat sequence is a sequence that is repeated via a spacer sequence, and the spacer sequence is a sequence designed in the present invention as a complementary sequence to the target DNA (originally, a foreign DNA-derived sequences). The pre-crRNA becomes mature crRNA when cleaved by proteins that compose the cascade (eg, Cas6 for types IA, B, DE and Cas5 for types IC).

典型的には、リーダー配列の鎖長は、86塩基、リピート配列の鎖長は、29塩基である。スペーサー配列の鎖長は、例えば、10~60塩基、好ましくは20~50塩基、より好ましくは25~40塩基、典型的には32~37塩基である。従って、本発明において用いられるプレcrRNAの鎖長は、LRSR構造の場合、例えば、154~204塩基、好ましくは164~194塩基、より好ましくは169~184塩基、典型的には、176~181塩基である。また、RSR構造の場合、例えば、68~118塩基、好ましくは78~108塩基、より好ましくは83~98塩基、典型的には、90~95塩基である。 Typically, the chain length of the leader sequence is 86 bases and the chain length of the repeat sequence is 29 bases. The length of the spacer sequence is, for example, 10-60 bases, preferably 20-50 bases, more preferably 25-40 bases, typically 32-37 bases. Therefore, in the case of the LRSR structure, the chain length of the pre-crRNA used in the present invention is, for example, 154 to 204 bases, preferably 164 to 194 bases, more preferably 169 to 184 bases, typically 176 to 181 bases. is. In the case of the RSR structure, it is, for example, 68-118 bases, preferably 78-108 bases, more preferably 83-98 bases, typically 90-95 bases.

本発明のCRISPR-Cas3システムを真核細胞において機能させるためには、プレcrRNAのリピート配列が、カスケードを構成するタンパク質により切断される過程が重要であると考えられる。従って、上記リピート配列は、このような切断が生じる限り、上記鎖長より短くても、長くてもよいことは、理解されたい。すなわち、プレcrRNAは、後述の成熟crRNAの両端に、カスケードを構成するタンパク質による切断に十分な配列が付加されたcrRNAと言うことができる。本発明の方法の好ましい態様は、このように、CRISPR-Cas3システムを真核細胞に導入した後に、カスケードを構成するタンパク質によりcrRNAが切断される工程を含む。 In order for the CRISPR-Cas3 system of the present invention to function in eukaryotic cells, the process in which the repeat sequences of pre-crRNA are cleaved by proteins constituting the cascade is considered to be important. Therefore, it should be understood that the repeat sequence can be shorter or longer than the chain length above, as long as such cleavage occurs. That is, the pre-crRNA can be said to be a crRNA in which a sequence sufficient for cleavage by a cascade-constituting protein is added to both ends of the mature crRNA described later. A preferred embodiment of the method of the present invention thus includes a step of cleaved crRNA by proteins that compose the cascade after introduction of the CRISPR-Cas3 system into eukaryotic cells.

一方、プレcrRNAが切断されて生成する成熟crRNAは、「5’ハンドル配列-スペーサー配列-3’ハンドル配列」の構造を有する。典型的には、5’ハンドル配列は、リピート配列の22~29番目の8塩基からなりCas5にホールドされる。また、典型的には、3’ハンドル配列は、リピート配列の1~21番目の21塩基からなり、6~21番目の塩基でステムループ構造を形成して、Cas6にホールドされる。従って、成熟crRNAの鎖長は、通常、61~66塩基である。但し、CRISPR-Cas3システムのタイプによっては、3’ハンドル配列をもたない成熟crRNAもあることから、この場合には、鎖長は、21塩基短くなる。 On the other hand, the mature crRNA produced by cleaving the pre-crRNA has a structure of "5' handle sequence-spacer sequence-3' handle sequence". Typically, the 5' handle sequence consists of 8 bases from positions 22-29 of the repeat sequence held by Cas5. Also, typically, the 3 'handle sequence consists of the 1st to 21st 21 bases of the repeat sequence, forms a stem loop structure at the 6th to 21st bases, and is held by Cas6. Therefore, the length of the mature crRNA is usually 61-66 bases. However, depending on the type of CRISPR-Cas3 system, some mature crRNAs do not have a 3' handle sequence, so in this case the chain length is shortened by 21 bases.

なお、RNAの配列は、DNAの編集を所望する標的配列に応じて適宜設計すればよい。また、RNAの合成は、当該分野で既知の任意の方法を用いて行うことができる。 The RNA sequence may be appropriately designed according to the target sequence for which DNA editing is desired. Alternatively, synthesis of RNA can be performed using any method known in the art.

-真核細胞-
本発明における「真核細胞」としては、例えば、動物細胞、植物細胞、藻細胞、真菌細胞が挙げられる。また動物細胞としては、例えば、哺乳動物細胞の他、魚類、鳥類、爬虫類、両生類、昆虫類の細胞が挙げられる。
- Eukaryotic cells -
"Eukaryotic cells" in the present invention include, for example, animal cells, plant cells, algae cells, and fungal cells. Animal cells include, for example, mammalian cells, as well as fish, bird, reptile, amphibian, and insect cells.

「動物細胞」には、例えば、動物の個体を構成している細胞、動物から摘出された器官・組織を構成する細胞、動物の組織に由来する培養細胞などが含まれる。具体的には、例えば、卵母細胞や精子などの生殖細胞;各段階の胚の胚細胞(例えば、1細胞期胚、2細胞期胚、4細胞期胚、8細胞期胚、16細胞期胚、桑実期胚など);誘導多能性幹(iPS)細胞や胚性幹(ES)細胞などの幹細胞;線維芽細胞、造血細胞、ニューロン、筋細胞、骨細胞、肝細胞、膵臓細胞、脳細胞、腎細胞などの体細胞などが挙げられる。ゲノム編集動物の作成に用いられる卵母細胞としては、受精前及び受精後の卵母細胞を利用することができるが、好ましくは受精後の卵母細胞、すなわち受精卵である。特に好ましくは、受精卵は前核期胚のものである。卵母細胞は、凍結保存されたものを解凍して用いることができる。 "Animal cells" include, for example, cells that constitute an individual animal, cells that constitute an organ or tissue isolated from an animal, cultured cells derived from animal tissue, and the like. Specifically, for example, germ cells such as oocytes and sperm; embryonic cells of embryos at each stage (e.g., 1-cell stage embryo, 2-cell stage embryo, 4-cell stage embryo, 8-cell stage embryo, 16-cell stage embryos, morula stage embryos, etc.); stem cells such as induced pluripotent stem (iPS) cells and embryonic stem (ES) cells; fibroblasts, hematopoietic cells, neurons, muscle cells, osteocytes, hepatocytes, pancreatic cells , brain cells, and somatic cells such as kidney cells. Pre-fertilization and post-fertilization oocytes can be used as oocytes used to generate genome-edited animals, but post-fertilization oocytes, ie, fertilized eggs, are preferred. Particularly preferably, the fertilized egg is a pronuclear stage embryo. Oocytes that have been cryopreserved can be thawed and used.

本発明において「哺乳動物」とは、ヒトおよび非ヒト哺乳動物を包含する概念である。非ヒト哺乳動物の例としては、ウシ、イノシシ、ブタ、ヒツジ、ヤギなどの偶蹄類、ウマなどの奇蹄類、マウス、ラット、モルモット、ハムスター、リスなどの齧歯類、ウサギなどのウサギ目、イヌ、ネコ、フェレットなどの食肉類などが挙げられる。上述の非ヒト哺乳動物は、家畜またはコンパニオンアニマル(愛玩動物)であってもよく、野生動物であってもよい。 In the present invention, the term "mammal" is a concept that includes both human and non-human mammals. Examples of non-human mammals include artiodactyls such as bovines, wild boars, pigs, sheep and goats, peri-hoofed animals such as horses, rodents such as mice, rats, guinea pigs, hamsters and squirrels, and lagomorphs such as rabbits. , dogs, cats, and meats such as ferrets. The non-human mammals mentioned above may be domestic or companion animals, or may be wild animals.

「植物細胞」としては、例えば、穀物類、油料作物、飼料作物、果物、野菜類の細胞が挙げられる。「植物細胞」には、例えば、植物の個体を構成している細胞、植物から分離した器官や組織を構成する細胞、植物の組織に由来する培養細胞などが含まれる。植物の器官や組織としては、例えば、葉、茎、茎頂(生長点)、根、塊茎、カルスなどが挙げられる。植物の例としては、イネ、トウモロコシ、バナナ、ピーナツ、ヒマワリ、トマト、アブラナ、タバコ、コムギ、オオムギ、ジャガイモ、ダイズ、ワタ、カーネーションなどが挙げられ、その繁殖材料(例えば、種子、塊根、塊茎など)も含まれる。 "Plant cells" include, for example, cells of cereals, oil crops, fodder crops, fruits and vegetables. The term “plant cell” includes, for example, cells that constitute an individual plant, cells that constitute an organ or tissue separated from a plant, cultured cells derived from a plant tissue, and the like. Plant organs and tissues include, for example, leaves, stems, shoot apexes (growing points), roots, tubers, callus, and the like. Examples of plants include rice, corn, bananas, peanuts, sunflowers, tomatoes, rape, tobacco, wheat, barley, potatoes, soybeans, cotton, carnations, etc., and their propagation materials (e.g., seeds, tubers, tubers, etc.). ) are also included.

-DNAの編集-
本発明において、「真核細胞のDNAを編集する」とは、真核細胞のDNAの編集をインビボで行う工程であってもよく、インビトロで行う工程であってもよい。また、「DNAを編集する」とは、以下の類型に例示される操作(その組み合わせを含む)を意図する。
-Editing DNA-
In the present invention, “editing eukaryotic DNA” may be a step of editing eukaryotic DNA in vivo or in vitro. In addition, "editing DNA" intends operations exemplified in the following types (including combinations thereof).

なお、本明細書において、上記の文脈で用いられるDNAは、細胞核内に存在するDNAのみならず、ミトコンドリアDNAなどの細胞核以外に存在するDNA、および外来性のDNAをも包含する。
1.標的部位におけるDNA鎖を切断する。
2.標的部位におけるDNA鎖の塩基を欠失させる。
3.標的部位におけるDNA鎖に塩基を挿入する。
4.標的部位におけるDNA鎖の塩基を置換する。
5.標的部位におけるDNA鎖の塩基を修飾する。
6.標的部位におけるDNA(遺伝子)の転写を調節する。
In this specification, the DNA used in the above context includes not only DNA present in the cell nucleus, but also DNA present outside the cell nucleus such as mitochondrial DNA, and foreign DNA.
1. Cuts the DNA strand at the target site.
2. Deletion of bases in the DNA strand at the target site.
3. A base is inserted into the DNA strand at the target site.
4. It replaces the bases of the DNA strand at the target site.
5. It modifies the bases of the DNA strand at the target site.
6. Regulates transcription of DNA (genes) at target sites.

本発明のCRISPR-Cas3システムの一つの態様においては、DNA切断を導入する以外の方法で、標的DNAを修飾する酵素活性を有するタンパク質を利用する。この態様は、例えば、Cas3あるいはカスケードを所望の酵素活性を有する異種タンパク質と融合し、キメラタンパク質とすることにより達成することができる。従って、本発明における「Cas3」および「カスケード」には、このような融合タンパク質も含まれる。融合するタンパク質の酵素活性としては、例えば、デアミナーゼ活性(例えば、シチジンデアミナーゼ活性、アデノシンデアミナーゼ活性)、メチルトランスフェラーゼ活性、脱メチル化酵素活性、DNA修復活性、DNA損傷活性、ジスムターゼ活性、アルキル化活性、脱プリン活性、酸化活性、ピリミジンダイマー形成活性、インテグラーゼ活性、トランスポサーゼ活性、リコンビナーゼ活性、ポリメラーゼ活性、リガーゼ活性、光回復酵素活性、およびグリコシラーゼ活性が含まれるが、これらに制限されない。この場合、必ずしも、Cas3のヌクレアーゼ活性やヘリカーゼ活性は必要がないことから、Cas3としては、これら活性の一部もしくは全部を欠失させた変異体(例えば、DドメインH74Aの変異体(dnCas3)、SF2ドメインモチーフ1のK320Nの変異体(dhCas3)、およびSF2ドメインモチーフ3のS483A/T485Aのダブルの変異体(dh2Cas3))を利用することができる。例えば、Cas3のヌクレアーゼ活性の一部または全部を消失させた変異体とデアミナーゼとの融合タンパク質を本発明のCRISPR-Cas3システムの構成要素とすることにより、標的部位における大きな欠失を生じさせることなく、塩基を置換することにより、精密なゲノム編集が可能となる。CRISPR-Casシステムへのデアミナーゼの適用の手法は公知であり(Nishida K. et al., Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems, Science, DOI: 10.1126/science.aaf8729,(2016))、それを本発明のCRISPR-Cas3システムに応用すればよい。 One embodiment of the CRISPR-Cas3 system of the present invention utilizes proteins with enzymatic activity to modify target DNA in ways other than introducing DNA breaks. This aspect can be achieved, for example, by fusing Cas3 or Cascade with a heterologous protein having the desired enzymatic activity to form a chimeric protein. Therefore, "Cas3" and "cascade" in the present invention also include such fusion proteins. Enzymatic activities of the fused protein include, for example, deaminase activity (e.g., cytidine deaminase activity, adenosine deaminase activity), methyltransferase activity, demethylase activity, DNA repair activity, DNA damage activity, dismutase activity, alkylation activity, Including, but not limited to, depurination activity, oxidation activity, pyrimidine dimer formation activity, integrase activity, transposase activity, recombinase activity, polymerase activity, ligase activity, photolyase activity, and glycosylase activity. In this case, since the nuclease activity and helicase activity of Cas3 is not necessarily required, as Cas3, mutants that lack some or all of these activities (e.g., D domain H74A mutant (dnCas3), A K320N mutant of SF2 domain motif 1 (dhCas3) and a double S483A/T485A mutant of SF2 domain motif 3 (dh2Cas3) are available. For example, by using a fusion protein of a mutant and deaminase that has lost some or all of the nuclease activity of Cas3 as a component of the CRISPR-Cas3 system of the present invention, without causing a large deletion at the target site , base substitution enables precise genome editing. Techniques for applying deaminase to the CRISPR-Cas system are known (Nishida K. et al., Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems, Science, DOI: 10. 1126/science.aaf8729, (2016) ), which can be applied to the CRISPR-Cas3 system of the present invention.

本発明のCRISPR-Cas3システムの他の態様においては、DNA切断せずに、本システムの結合部位における遺伝子の転写を調節する。この態様は、例えば、Cas3あるいはカスケードを所望の転写調節タンパク質と融合し、キメラタンパク質とすることにより達成することができる。従って、本発明における「Cas3」および「カスケード」には、このような融合タンパク質も含まれる。転写調節タンパク質としては、例えば、光誘導性転写制御因子、小分子/薬剤反応性転写制御因子、転写因子、転写抑制因子などが挙げられるが、これらに制限されない。この場合、必ずしも、Cas3のヌクレアーゼ活性やヘリカーゼ活性は必要がないことから、Cas3としては、これら活性の一部もしくは全部を欠失させた変異体(例えば、DドメインH74Aの変異体(dnCas3)、SF2ドメインモチーフ1のK320Nの変異体(dhCas3)、およびSF2ドメインモチーフ3のS483A/T485Aのダブルの変異体(dh2Cas3))を利用することができる。CRISPR-Casシステムへの転写調節タンパク質の適用の手法は、当業者に公知である。 In another aspect of the CRISPR-Cas3 system of the invention, it modulates transcription of genes at the binding site of the system without cutting the DNA. This aspect can be achieved, for example, by fusing Cas3 or Cascade with a desired transcriptional regulatory protein to form a chimeric protein. Therefore, "Cas3" and "cascade" in the present invention also include such fusion proteins. Examples of transcription regulatory proteins include, but are not limited to, light-induced transcription factors, small molecule/drug-responsive transcription factors, transcription factors, transcription repressors, and the like. In this case, since the nuclease activity and helicase activity of Cas3 is not necessarily required, as Cas3, mutants that lack some or all of these activities (e.g., D domain H74A mutant (dnCas3), A K320N mutant of SF2 domain motif 1 (dhCas3) and a double S483A/T485A mutant of SF2 domain motif 3 (dh2Cas3) are available. Techniques for applying transcriptional regulatory proteins to the CRISPR-Cas system are known to those skilled in the art.

また、本発明のCRISPR-Cas3システムにおいて、例えば、Cas3のヌクレアーゼ活性の一部もしくは全部を欠失させた変異体を利用する場合、他のヌクレアーゼ活性を有するタンパク質をCas3またはカスケードと融合してもよい。このような態様も、本発明に含まれる。 Also, in the CRISPR-Cas3 system of the present invention, for example, when using a mutant that has deleted some or all of the nuclease activity of Cas3, a protein having other nuclease activity Cas3 or even if fused with the cascade good. Such aspects are also included in the present invention.

なお、本発明のCRISPR-Cas3システムにおいて、Cas3のヌクレアーゼ活性の一部もしくは全部を欠失させた変異体を利用し、DNAの編集において、他のタンパク質の活性を利用する場合には、本明細書における「DNAの切断活性」は、適宜、当該他のタンパク質が有する各種活性に読み替えるものとする。 It should be noted that, in the CRISPR-Cas3 system of the present invention, using a mutant that has deleted some or all of the nuclease activity of Cas3, in the editing of DNA, when using the activity of other proteins, the present specification "DNA cleaving activity" in the book shall be appropriately read as various activities possessed by the other protein.

また、DNAの編集は、個体内の特定の細胞に含まれるDNAに対して行われるものであってもよい。このようなDNAの編集は、例えば、動植物の個体を構成する細胞のうち、特定の細胞を標的として行うことができる。 DNA editing may also be performed on DNA contained in specific cells within an individual. Such DNA editing can be performed, for example, by targeting specific cells among the cells that constitute individual animals and plants.

本発明のCRISPR-Cas3システムを構成する分子をポリヌクレオチドまたは該ポリヌクレオチドを含む発現ベクターの形態で真核細胞に導入する方法は、特に限定されない。例えば、電気穿孔法、リン酸カルシウム法、リポソーム法、DEAEデキストラン法、マイクロインジェクション法、カチオン性脂質媒介トランスフェクション、エレクトロポレーション、形質導入、ウイルベクターを用いた感染などの方法が挙げられる。このような方法は、「Leonard G. Daviset al., Basic methods in molecular biology, New York: Elsevier, 1986」など、多くの標準的研究室マニュアルに記載されている。 The method for introducing molecules that constitute the CRISPR-Cas3 system of the present invention into eukaryotic cells in the form of polynucleotides or expression vectors containing the polynucleotides is not particularly limited. Examples include methods such as electroporation, calcium phosphate, liposomes, DEAE dextran, microinjection, cationic lipid-mediated transfection, electroporation, transduction, and infection with viral vectors. Such methods are described in many standard laboratory manuals, such as "Leonard G. Davis et al., Basic methods in molecular biology, New York: Elsevier, 1986".

本発明のCRISPR-Cas3システムを分子をタンパク質の形態で真核細胞に導入する方法は、特に限定されない。例えば、エレクトロポレーション、カチオン性脂質媒介トランスフェクション、マイクロインジェクションなどが挙げられる。 The method for introducing the CRISPR-Cas3 system of the present invention into eukaryotic cells in the form of protein is not particularly limited. Examples include electroporation, cationic lipid-mediated transfection, microinjection, and the like.

本発明によるDNAの編集は、様々な分野に応用することができる。応用には、例えば、遺伝子治療、品種改良、トランスジェニック動物または細胞の作製、有用物質の生産、生命科学研究などが含まれる。 DNA editing according to the present invention can be applied to various fields. Applications include, for example, gene therapy, breeding, generation of transgenic animals or cells, production of useful substances, life science research, and the like.

細胞から非ヒト個体を作製する方法としては、公知の方法を利用することができる。動物において細胞から非ヒト個体を作製する場合、通常、生殖細胞又は多能性幹細胞が利用される。例えば、本発明のCRISPR-Cas3システムを構成する分子を卵母細胞に導入し、得られた卵母細胞を次いで、偽妊娠状態にした雌非ヒト哺乳動物の子宮に移植し、その後産仔を得る。移植は1細胞期胚、2細胞期胚、4細胞期胚、8細胞期胚、16細胞期胚、又は桑実期胚の受精卵にて行うことができる。卵母細胞は必要に応じて、移植されるまで適当な条件下にて培養することができる。卵母細胞の移植及び培養は従来公知の手法に基づいて行うことができる(Nagy A. et al.,Manipulating the Mouse Embryo.Cold Spring Harbour,New York:Cold Spring Harbour Laboratory Press, 2003)。得られた非ヒト個体からは、所望のDNAが編集された子孫やクローンを得ることもできる。 A known method can be used as a method for producing a non-human individual from cells. Germ cells or pluripotent stem cells are usually used to generate non-human individuals from cells in animals. For example, a molecule that constitutes the CRISPR-Cas3 system of the present invention is introduced into an oocyte, and the resulting oocyte is then transplanted into the uterus of a female non-human mammal in a pseudopregnant state, and then a offspring is produced. obtain. Transplantation can be performed with fertilized eggs of 1-, 2-, 4-, 8-, 16-, or morula stage embryos. Oocytes can be cultured under suitable conditions until implantation, if desired. Oocyte transplantation and culture can be performed based on conventionally known techniques (Nagy A. et al., Manipulating the Mouse Embryo. Cold Spring Harbor, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2003). Progeny or clones in which the desired DNA is edited can also be obtained from the obtained non-human individuals.

また、植物においては、古くから、その体細胞が分化全能性を有していることが知られており、様々な植物において、植物細胞から植物体を再生する方法が確立されている。従って、例えば、本発明のCRISPR-Cas3システムを構成する分子を植物細胞に導入し、得られた植物細胞から植物体を再生することにより、所望のDNAがノックインされた植物体を得ることができる。得られた植物体からは、所望のDNAが編集された子孫、クローン、または繁殖材料を得ることもできる。組織培養により植物の組織を再分化させて個体を得る方法としては、本技術分野において確立された方法を利用することができる(形質転換プロトコール[植物編] 田部井豊・編 化学同人 pp.340-347(2012))。 In plants, it has long been known that the somatic cells thereof have totipotency, and in various plants, methods for regenerating plant bodies from plant cells have been established. Therefore, for example, by introducing a molecule that constitutes the CRISPR-Cas3 system of the present invention into a plant cell and regenerating the plant body from the obtained plant cell, a plant body in which the desired DNA is knocked in can be obtained. . Progeny, clones, or propagation material in which the desired DNA has been edited can also be obtained from the resulting plant. As a method for redifferentiating plant tissues by tissue culture to obtain individuals, a method established in this technical field can be used (transformation protocol [Plants], Yutaka Tabei, edited by Kagaku Dojin, pp. 340- 347 (2012)).

[2]CRISPR-Cas3システムに用いられるキット
本発明のCRISPR-Cas3システムに用いられるキットは、以下の(A)および(B)を含む。
[2] Kit used in the CRISPR-Cas3 system The kit used in the CRISPR-Cas3 system of the present invention includes the following (A) and (B).

(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
さらに、crRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチド含む発現ベクターを含んでもよい。
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide; and (B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide, further crRNA, A polynucleotide encoding the crRNA or an expression vector containing the polynucleotide may be included.

本発明のキットの構成要素は、全てまたは一部が混合された態様であってもよく、各々が独立している態様であってもよい。 The constituent elements of the kit of the present invention may be mixed in whole or in part, or may be independent of each other.

本発明のキットは、例えば、医薬品、食品、畜産、水産、工業、バイオ工学、生命科学研究などの分野に利用できる。 The kit of the present invention can be used, for example, in fields such as pharmaceuticals, foods, livestock, fisheries, industry, bioengineering, and life science research.

以下、本発明のキットについて、医薬品(薬剤)を想定して説明する。なお、上記キットを畜産、バイオ工学、生命科学研究などの分野で用いる場合には、以下の説明を、当該分野の技術常識に基づいて適宜置き換えることにより実施できる。 Hereinafter, the kit of the present invention will be described assuming a pharmaceutical (medicine). When the above kit is used in fields such as animal husbandry, bioengineering, and life science research, it can be implemented by appropriately replacing the following description based on common technical knowledge in the field.

本発明のCRISPR-Cas3システムを用いて、ヒトを含む動物細胞のDNAを編集するための医薬品は、常法により調製されうる。より具体的には、上記本発明のCRISPR-Cas3システムを構成する分子を、例えば、医薬品添加物と調合することによって調製されうる。 Using the CRISPR-Cas3 system of the present invention, pharmaceuticals for editing the DNA of animal cells, including humans, can be prepared by conventional methods. More specifically, the molecules constituting the CRISPR-Cas3 system of the present invention can be prepared by, for example, compounding them with pharmaceutical additives.

ここで「医薬品添加物」とは、医薬品に含まれる有効成分以外の物質を意図する。医薬品添加物は、製剤化を容易にする、品質の安定化を図る、有用性を高めるなどの目的のために、医薬品に含まれる物質である。一例において、上記医薬品添加物は、賦形剤、結合剤、崩壊剤、滑沢剤、流動化剤(固形防止剤)、着色剤、カプセル被膜、コーティング剤、可塑剤、矯味剤、甘味剤、着香剤、溶剤、溶解補助剤、乳化剤、懸濁化剤(粘着剤)、粘稠剤、pH調整剤(酸性化剤、アルカリ化剤、緩衝剤)、湿潤剤(可溶化剤)、抗菌性保存剤、キレート剤、坐剤基材、軟膏基剤、硬化剤、軟化剤、医療用水、噴射剤、安定剤、保存剤、でありうる。これらの医薬品添加物は、意図された剤型および投与経路、ならびに標準的な薬学的慣行に従って、当業者によって容易に選択されうる。 The term "pharmaceutical excipients" as used herein means substances other than active ingredients contained in pharmaceuticals. Pharmaceutical excipients are substances contained in pharmaceuticals for purposes such as facilitating formulation, stabilizing quality, and enhancing usefulness. In one example, the pharmaceutical excipients include excipients, binders, disintegrants, lubricants, fluidizers (anti-solidification agents), colorants, capsule shells, coating agents, plasticizers, flavoring agents, sweeteners, Flavoring agents, solvents, solubilizers, emulsifiers, suspending agents (adhesives), thickening agents, pH adjusters (acidifying agents, alkalinizing agents, buffering agents), wetting agents (solubilizing agents), antibacterial agents preservatives, chelating agents, suppository bases, ointment bases, hardeners, softeners, medical waters, propellants, stabilizers, preservatives. These excipients can be readily selected by those skilled in the art according to the intended dosage form and route of administration and standard pharmaceutical practice.

また、本発明のCRISPR-Cas3システムを利用して動物細胞のDNAを編集するための医薬品は、さらなる有効成分を含んでいてよい。上記さらなる有効成分としては、特に限定されず、当業者により適宜設計することができる。 In addition, pharmaceuticals for editing animal cell DNA using the CRISPR-Cas3 system of the present invention may contain additional active ingredients. The further active ingredient is not particularly limited and can be appropriately designed by those skilled in the art.

以上に説明した有効成分および医薬品添加物の具体例は、例えば、米国食品医薬品局(FDA)、欧州医薬品庁(EMA)、日本国厚生労働省などが策定している基準により、知ることができる。 Specific examples of the active ingredients and pharmaceutical additives described above can be known, for example, from standards established by the US Food and Drug Administration (FDA), the European Medicines Agency (EMA), and the Ministry of Health, Labor and Welfare of Japan.

医薬品を所望の細胞に送達する方法としては、例えば、該細胞を標的とするウイルスベクター(アデノウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、レンチウイルスベクター、センダイウイルスベクター等)、該細胞を特異的に認識する抗体などを用いた方法が挙げられる。医薬品は、目的に応じて任意の剤型を取りうる。また上記医薬品は、医師または医療従事者により、適宜処方される。 Methods for delivering pharmaceuticals to desired cells include, for example, viral vectors that target the cells (adenoviral vectors, adeno-associated viral vectors, lentiviral vectors, Sendai viral vectors, etc.), A method using an antibody or the like can be mentioned. Pharmaceuticals can take any dosage form depending on the purpose. In addition, the above pharmaceuticals are appropriately prescribed by doctors or medical professionals.

本発明のキットは、さらに、使用説明書を備えていることが好ましい。 Preferably, the kit of the present invention further comprises instructions for use.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited only to the following examples.

A.真核細胞におけるCRISPR-Cas3システムの確立
〔材料と方法〕
[1]標的配列を含むレポーターベクターの作製
標的配列は、ヒトCCR5遺伝子由来の配列(配列番号19)、および大腸菌のCRISPRのスペーサー配列(配列番号22)とした。
A. Establishment of CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells [Materials and methods]
[1] Preparation of Reporter Vector Containing Target Sequence The target sequences were the human CCR5 gene-derived sequence (SEQ ID NO: 19) and the E. coli CRISPR spacer sequence (SEQ ID NO: 22).

標的配列をベクターに挿入するために、ヒトCCR5遺伝子由来の標的配列(配列番号19)を含む合成ポリヌクレオチド(配列番号20)、および上記標的配列(配列番号19)に相補的な配列を含む合成ポリヌクレオチド(配列番号21)を用意した。同様に、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列由来の標的配列(配列番号22)を含む合成ポリヌクレオチド(配列番号23)、および上記標的配列(配列番号22)に相補的な配列を含む合成ポリヌクレオチド(配列番号24)を用意した。上記の合成ポリヌクレオチドは、全て北海道システム・サイエンス株式会社から入手した。 A synthetic polynucleotide (SEQ ID NO: 20) containing the target sequence (SEQ ID NO: 19) from the human CCR5 gene and a synthetic sequence complementary to said target sequence (SEQ ID NO: 19) for inserting the target sequence into a vector A polynucleotide (SEQ ID NO: 21) was provided. Similarly, a synthetic polynucleotide (SEQ ID NO: 23) comprising a target sequence (SEQ ID NO: 22) derived from the spacer sequence of E. coli CRISPR, and a synthetic polynucleotide (SEQ ID NO: 22) comprising a sequence complementary to the target sequence (SEQ ID NO: 22) (sequence No. 24) was prepared. All of the above synthetic polynucleotides were obtained from Hokkaido System Science Co., Ltd.

上記のポリヌクレオチドを、[Sakuma T et al. (2013) Efficient TALEN construction and evaluation methods for human cell and animal applications, Genes to Cells, Vol.18 (Issue 4), pp.315-326]に記載の方法により、レポーターベクターに挿入した。概略を示すと以下の通りである。まず、互いに相補的な配列を有するポリヌクレオチド(配列番号20のポリヌクレオチドおよび配列番号21のポリヌクレオチド;配列番号23のポリヌクレオチドおよび配列番号24のポリヌクレオチド)を、95℃にて5分間加熱し、その後室温まで冷却して、ハイブリダイズさせた。上記の工程には、ブロックインキュベーター(BI-515A、アステック社)を用いた。次に、ハイブリダイズさせて二本鎖構造を形成したポリヌクレオチドを、基材ベクターに挿入し、レポーターベクターとした。 The above polynucleotides were synthesized according to [Sakuma T et al. (2013) Efficient TALEN construction and evaluation methods for human cells and animal applications, Genes to Cells, Vol. 18 (Issue 4), pp. 315-326] into a reporter vector. The outline is as follows. First, polynucleotides having sequences complementary to each other (polynucleotide of SEQ ID NO: 20 and polynucleotide of SEQ ID NO: 21; polynucleotide of SEQ ID NO: 23 and polynucleotide of SEQ ID NO: 24) were heated at 95°C for 5 minutes. , then cooled to room temperature and allowed to hybridize. A block incubator (BI-515A, Astec) was used for the above steps. Next, the polynucleotide hybridized to form a double-stranded structure was inserted into a base vector to form a reporter vector.

作製したレポーターベクターの配列を、配列番号31(ヒトCCR5遺伝子由来の標的配列を含むレポーターベクター)および配列番号32(大腸菌のCRISPRのスペーサー配列由来の標的配列を含むレポーターベクター)に示す。また、レポーターベクターの構造を、図4の(d)に示す。 The sequences of the prepared reporter vectors are shown in SEQ ID NO: 31 (reporter vector containing target sequence derived from human CCR5 gene) and SEQ ID NO: 32 (reporter vector containing target sequence derived from E. coli CRISPR spacer sequence). In addition, the structure of the reporter vector is shown in FIG. 4(d).

[2]Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6、Cas7およびcrRNA発現ベクターの作製
[インサートの増幅および調製]
Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7をコードする、改変された塩基配列を有するポリヌクレオチド(それぞれ、配列番号2、配列番号3、配列番号4、配列番号5および配列番号6)については、まず、配列番号2-配列番号3-配列番号6-配列番号4-配列番号5の順に連結されたポリヌクレオチド(Cse1(Cas8)-Cse2(Cas11)-Cas7-Cas5-Cas6の順に、それぞれをコードする塩基配列が連結されたポリヌクレオチド)を、ジェンスクリプト社に製造委託し、入手した。Cse1(Cas8)-Cse2(Cas11)-Cas7-Cas5-Cas6の各タンパク質をコードする塩基配列間は、2Aペプチド(アミノ酸配列:GSGATNFSLLKQAGDVEENPGP(配列番号58))で連結した。
[2] Preparation of Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6, Cas7 and crRNA expression vectors [Insert amplification and preparation]
Polynucleotides with modified base sequences encoding Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 (SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6, respectively) ), first, the polynucleotide linked in the order of SEQ ID NO: 2-SEQ ID NO: 3-SEQ ID NO: 6-SEQ ID NO: 4-SEQ ID NO: 5 in the order of Cse1 (Cas8)-Cse2 (Cas11)-Cas7-Cas5-Cas6 , and polynucleotides in which nucleotide sequences encoding each of them are ligated) were contracted to Genscript and obtained. Cse1 (Cas8) -Cse2 (Cas11) -Cas7-Cas5-Cas6 between the nucleotide sequences encoding each protein, 2A peptide (amino acid sequence: GSGATNFSLLKQAGDVEENPGP (SEQ ID NO: 58)) was linked.

なお、2Aペプチドをコードする塩基配列は、それぞれのCasタンパク質連結部によって若干異なり、以下の通りであった。Cse1(Cas8)とCse2(Cas11)との間における配列:GGAAGCGGAGCAACCAACTTCAGCCTGCTGAAGCAGGCCGGCGATGTGGAGGAGAATCCAGGCCCC(配列番号59)。Cse2(Cas11)とCas7との間における配列:GGCTCCGGCGCCACCAATTTTTCTCTGCTGAAGCAGGCAGGCGATGTGGAGGAGAACCCAGGACCT(配列番号60)。Cas7とCas5との間における配列:GGATCTGGAGCCACCAATTTCAGCCTGCTGAAGCAAGCAGGCGACGTGGAAGAAAACCCAGGACCA(配列番号61)。Cas5とCas6との間における配列:GGATCTGGGGCTACTAATTTTTCTCTGCTGAAGCAAGCCGGCGACGTGGAAGAGAATCCAGGACCG(配列番号62)。 The nucleotide sequence encoding the 2A peptide was slightly different depending on the Cas protein junction, and was as follows. Sequence between Cse1 (Cas8) and Cse2 (Cas11): GGAAGCGGAGCAACCAACTTCAGCCTGCTGAAGCAGGCCGGCGATGTGGAGGAGAATCCAGGCCCC (SEQ ID NO: 59). Sequence between Cse2 (Cas11) and Cas7: GGCTCCGGCGCCACCAATTTTTCTCTGCTGAAGCAGGCAGGCGATGTGGAGGAGAACCCAGGACCT (SEQ ID NO: 60). Sequence between Cas7 and Cas5: GGATCTGGAGCCCACCAATTTCAGCCTGCTGAAGCAAGCAGGCGACGTGGAAGAAAAACCCAGGACCA (SEQ ID NO: 61). Sequence between Cas5 and Cas6: GGATCTGGGGCTACTAATTTTTCTCTGCTGAAGCAAGCCGGCGACGTGGAAGAGAATCCAGGACCG (SEQ ID NO: 62).

次いで、下表のPCR条件(プライマーおよびタイムコース)にて、各ポリヌクレオチドを増幅した。PCRには、2720 Thermal cycler(applied biosystems社)を用いた。 Then, each polynucleotide was amplified under the PCR conditions (primers and time course) shown in the table below. 2720 Thermal cycler (applied biosystems) was used for PCR.

Figure 0007301332000001
Figure 0007301332000001

crRNAを発現させるための塩基配列を有するポリヌクレオチドとして、下記の相補的な配列を有するポリヌクレオチドを入手した。
1.ヒトCCR5遺伝子由来の配列に対応するcrRNAを発現させるためのポリヌクレオチド(配列番号25および26、北海道システムサイエンス社より入手)
2.大腸菌のCRISPRのスペーサー配列に対応するcrRNAを発現させるためのポリヌクレオチド(配列番号27および28、北海道システムサイエンス社より入手)
3.ヒトEMX1遺伝子由来の配列に対応するcrRNAを発現させるためのポリヌクレオチド(配列番号29および30、ファスマック社より入手)。
A polynucleotide having the following complementary sequence was obtained as a polynucleotide having a base sequence for expressing crRNA.
1. Polynucleotides for expressing crRNA corresponding to sequences derived from the human CCR5 gene (SEQ ID NOs: 25 and 26, obtained from Hokkaido System Science)
2. Polynucleotides for expressing crRNA corresponding to the spacer sequence of CRISPR of E. coli (SEQ ID NOs: 27 and 28, obtained from Hokkaido System Science Co., Ltd.)
3. Polynucleotides for expressing crRNAs corresponding to sequences from the human EMX1 gene (SEQ ID NOS:29 and 30, obtained from Fasmac).

[ライゲーションおよび形質転換]
基材プラスミドとして、pPB-CAG-EBNXN(Sanger Centerより供与)を用いた。NEBバッファー中で、基材プラスミド1.6μgと、制限酵素BglII(New England Biolabs社)1μlおよびXhoI(New England Biolabs社)0.5μlとを混合し、37℃にて2時間反応させた。切断された基材プラスミドは、Gel extraction kit(Qiagen社)にて精製した。
[Ligation and transformation]
As a base plasmid, pPB-CAG-EBNXN (provided by Sanger Center) was used. In NEB buffer, 1.6 μg of the base plasmid, 1 μl of restriction enzyme BglII (New England Biolabs) and 0.5 μl of XhoI (New England Biolabs) were mixed and reacted at 37° C. for 2 hours. The cleaved base plasmid was purified using a Gel extraction kit (Qiagen).

このように調製した基材プラスミドおよび上記インサートを、Gibson Assemblyシステムにてライゲーションした。ライゲーションでは、基材プラスミドとインサートとの比率が1:1になるようにし、Gibson Assemblyシステムのプロトコールに従って行った(50℃で25分間、反応液の全容量:8μL)。 The base plasmid prepared in this manner and the insert were ligated using the Gibson Assembly system. The ligation was carried out according to the protocol of the Gibson Assembly system so that the ratio of the base plasmid to the insert was 1:1 (at 50° C. for 25 minutes, the total volume of the reaction solution: 8 μL).

次いで、上記で得られたプラスミドの溶液(ライゲーション反応液)6μLと、コンピテントセル(竹田研究室作製)とを用いて、通常の方法により、形質転換を行った。 Then, using 6 μL of the plasmid solution (ligation reaction solution) obtained above and competent cells (prepared by Takeda Laboratory), transformation was performed by a conventional method.

その後、アルカリプレップ法にて、形質転換した大腸菌からプラスミドベクターを精製した。簡潔には、QIAprep Spin Miniprep Kit(Qiagen社)を用いてプラスミドベクターを回収し、回収したプラスミドベクターをエタノール沈殿法にて精製後、TE緩衝液中で1μg/μLの濃度となるように調製した。 After that, the plasmid vector was purified from the transformed Escherichia coli by the alkaline prep method. Briefly, the plasmid vector was recovered using QIAprep Spin Miniprep Kit (Qiagen), purified by ethanol precipitation, and then adjusted to a concentration of 1 µg/µL in TE buffer. .

各プラスミドベクターの構造を、図4の(a)~(c)に示す。また、プレcrRNAの発現ベクターの塩基配列を、配列番号33(ヒトCCR5遺伝子由来の配列に対応するcrRNAを発現させる発現ベクター)、配列番号34(大腸菌のCRISPRのスペーサー配列に対応するcrRNAを発現させる発現ベクター)および配列番号35(ヒトEMX1遺伝子由来の配列に対応するcrRNAを発現させる発現ベクター)に示す。 The structure of each plasmid vector is shown in (a) to (c) of FIG. In addition, the base sequences of the pre-crRNA expression vector are SEQ ID NO: 33 (expression vector for expressing crRNA corresponding to the sequence derived from the human CCR5 gene), SEQ ID NO: 34 (expressing crRNA corresponding to the spacer sequence of CRISPR of E. coli) expression vector) and SEQ ID NO: 35 (expression vector expressing crRNA corresponding to sequence derived from human EMX1 gene).

[3]Cas3発現ベクターの作製
Cas3をコードする、改変された塩基配列を有するポリヌクレオチド(配列番号1)は、Genscript社より入手した。具体的には、上記のポリヌクレオチドが組み込まれているpUC57 vectorを、Genscript社より入手した。
[3] Preparation of Cas3 expression vector A polynucleotide having a modified base sequence encoding Cas3 (SEQ ID NO: 1) was obtained from Genscript. Specifically, a pUC57 vector incorporating the above polynucleotide was obtained from Genscript.

上記のベクターを、制限酵素NotIで切断した。次に、Klenow Fragment(タカラバイオ社)を2U、および2.5mM dNTP Mixture(タカラバイオ社)を1μLを用いて、フラグメントの断端を平滑化させた。その後、Gel extraction(Qiagen社)を用いて、上記フラグメントを精製した。精製されたフラグメントを、制限酵素XhoIでさらに切断し、Gel extraction(Qiagen社)を用いて精製した。 The above vector was cleaved with restriction enzyme NotI. Next, 2U of Klenow Fragment (Takara Bio Inc.) and 1 μL of 2.5 mM dNTP Mixture (Takara Bio Inc.) were used to smooth the stump of the fragment. The fragment was then purified using Gel extraction (Qiagen). The purified fragment was further cleaved with restriction enzyme XhoI and purified using Gel extraction (Qiagen).

精製されたフラグメントを、基材プラスミド(pTL2-CAG-IRES-NEO vector、竹田研究室作製)およびライゲーションキット(Mighty Mix、タカラバイオ社)を用いて、ライゲーションした。ライゲーションした。その後、[2]と同じ操作により、形質転換および精製を行った。回収したプラスミドベクターは、TE緩衝液中で1μg/μLの濃度となるように調製した。 The purified fragment was ligated using a base plasmid (pTL2-CAG-IRES-NEO vector, produced by Takeda Laboratory) and a ligation kit (Mighty Mix, Takara Bio Inc.). ligated. Then, transformation and purification were performed by the same procedure as [2]. The recovered plasmid vector was adjusted to a concentration of 1 μg/μL in TE buffer.

[4]BPNLSを含むプラスミドベクターの作製
BPNLSを5’末端および3’末端に連結させた、Cas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7発現ベクターを作製した(図7を参照)。
[4] Preparation of plasmid vector containing BPNLS Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 expression vectors were prepared by ligating BPNLS to the 5' and 3' ends (see FIG. 7 reference).

BPNLSを両末端に含む各Casタンパク質群についてのインサートの作製は、Thermo Fisher Scientificに依頼した。上記インサートの具体的な配列は、(AGATCTTAATACGACTCACTATAGGGAGAGCCGCCACCATGGCC:配列番号56)-(配列番号7~12のいずれか1つ)-(TAATATCCTCGAG:配列番号57)である。配列番号56は、BgIIIによる切断箇所を設けた配列である。配列番号57は、XhoIによる切断箇所を設けた配列である。 Thermo Fisher Scientific was commissioned to generate inserts for each Cas protein group containing BPNLS at both ends. The specific sequence of the insert is (AGATCTTAATACGACTCACTATAGGGAGAGCCGCCACCATGGCC: SEQ ID NO: 56)-(any one of SEQ ID NOS: 7-12)-(TAATATCCTCGAG: SEQ ID NO: 57). SEQ ID NO: 56 is a sequence with a BgIII cleavage site. SEQ ID NO: 57 is a sequence with an XhoI cleavage site.

上記配列が組み込まれているpMK vectorを、制限酵素BgIIIおよびXhoIで切断し、Gel extraction(Qiagen社)を用いて精製した。精製したフラグメントを、基材プラスミド(pPB-CAG-EBNXN、Sanger Centerより供与)およびライゲーションキット(Mighty Mix、タカラバイオ社)を用いて、ライゲーションした。その後、[2]と同じ操作により、形質転換および精製を行った。回収したプラスミドベクターは、TE緩衝液中で1μg/μLの濃度となるように調製した。 The pMK vector containing the above sequence was cleaved with restriction enzymes BgIII and XhoI and purified using Gel extraction (Qiagen). The purified fragment was ligated using a base plasmid (pPB-CAG-EBNXN, provided by Sanger Center) and a ligation kit (Mighty Mix, Takara Bio Inc.). Then, transformation and purification were performed by the same procedure as [2]. The recovered plasmid vector was adjusted to a concentration of 1 μg/μL in TE buffer.

[5]カスケード(2A)を含むプラスミドベクターの作製
Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas7、Cas5およびCas6が、この順に連結された塩基配列の発現ベクターを作製した。より具体的には、(NLS-Cse1(Cas8):配列番号2)-2A-(NLS-Cse2(Cas11):配列番号3)-2A-(NLS-Cas7:配列番号6)-2A-(NLS-Cas5:配列番号4)-2A-(NLS-Cas6:配列番号5)の順に配置された発現ベクターを作製した(図8参照)。なお、NLSのアミノ酸配列はPKKKRKV(配列番号52)、塩基配列はCCCAAGAAGAAGCGGAAGGTG(配列番号53)である。また、2Aペプチドのアミノ酸配列はGSGATNFSLLKQAGDVEENPGP(配列番号58)である(対応する塩基配列は、それぞれ配列番号59~62である)。
[5] Preparation of plasmid vector containing cascade (2A) Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas7, Cas5 and Cas6 were linked in this order to prepare an expression vector having a nucleotide sequence. More specifically, (NLS-Cse1 (Cas8): SEQ ID NO: 2) -2A- (NLS-Cse2 (Cas11): SEQ ID NO: 3) -2A- (NLS-Cas7: SEQ ID NO: 6) -2A- (NLS An expression vector arranged in the order of -Cas5: SEQ ID NO: 4) -2A- (NLS-Cas6: SEQ ID NO: 5) was produced (see FIG. 8). The amino acid sequence of NLS is PKKKRKV (SEQ ID NO: 52), and the base sequence is CCCAAGAAGAAGCGGAAGGTG (SEQ ID NO: 53). The amino acid sequence of 2A peptide is GSGATNFSLLKQAGDVEENPGP (SEQ ID NO: 58) (corresponding base sequences are SEQ ID NOS: 59-62, respectively).

上述の塩基配列を有するポリペプチドを、GenScriptより入手した。上記配列が組み込まれているpUC57 vectorを、制限酵素EcoRI-HFで切断し、Gel extraction(Qiagen社)を用いて精製した。精製したフラグメントを、基材プラスミド(pTL2-CAG-IRES-Puro vector、竹田研究室作製)およびライゲーションキット(Mighty Mix、タカラバイオ社)を用いて、ライゲーションした。その後、[2]と同じ操作により、形質転換および精製を行った。回収したプラスミドベクターは、TE緩衝液中で1μg/μLの濃度となるように調製した。 A polypeptide having the nucleotide sequence described above was obtained from GenScript. The pUC57 vector containing the above sequence was cleaved with restriction enzyme EcoRI-HF and purified using Gel extraction (Qiagen). The purified fragment was ligated using a base plasmid (pTL2-CAG-IRES-Puro vector, produced by Takeda Laboratory) and a ligation kit (Mighty Mix, Takara Bio Inc.). Then, transformation and purification were performed by the same procedure as [2]. The recovered plasmid vector was adjusted to a concentration of 1 μg/μL in TE buffer.

〔実施例A-1〕
塩基配列を改変し、核移行シグナルを付加したCas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7と、crRNAとをHEK(human embryonic kidney)293T細胞に発現させ、外因性DNAの標的配列の切断活性を評価した。
[Example A-1]
Modified base sequence, Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 added with a nuclear localization signal, and crRNA HEK (human embryonic kidney) to express 293T cells, exogenous DNA of Target sequence cleavage activity was assessed.

トランスフェクションに先立ち、HEK293T細胞を10cmディッシュ中で培養した。HEK293T細胞の培養は、EF培地(GIBCO社)で、37℃、5%CO雰囲気下にて行った。EF培地中におけるHEK293T細胞の密度は、3×10/100μLに調製した。 HEK293T cells were cultured in 10 cm dishes prior to transfection. HEK293T cells were cultured in EF medium (GIBCO) at 37° C. in a 5% CO 2 atmosphere. The density of HEK293T cells in EF medium was adjusted to 3×10 4 /100 μL.

また、上記レポーターベクター100ng;Cas3プラスミド、Cse1(Cas8)プラスミド、Cse2(Cas11)プラスミド、Cas5プラスミド、Cas6プラスミド、Cas7プラスミドおよびcrRNAプラスミド各200ng;pRL-TKベクター(レニラルシフェラーゼを発現可能、Promega社)60ng;ならびに、pBluecscriptII KS(+)ベクター(Agilent Technologies社)300ngを、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)25μLに混合した。レポーターベクターとして、CCR5由来の標的配列を有するレポーターベクターを用いた条件が図1の1に相当し、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を有するレポーターベクターを用いた条件が図1の10に相当する。 In addition, the above reporter vector 100 ng; Cas3 plasmid, Cse1 (Cas8) plasmid, Cse2 (Cas11) plasmid, Cas5 plasmid, Cas6 plasmid, Cas7 plasmid and crRNA plasmid each 200 ng; pRL-TK vector (capable of expressing Renilla luciferase, Promega) ); and 300 ng of pBluescriptII KS(+) vector (Agilent Technologies) were mixed in 25 μL of Opti-MEM (Thermo Fisher Scientific). The condition using a reporter vector having a CCR5-derived target sequence as the reporter vector corresponds to 1 in FIG. 1, and the condition using a reporter vector having a CRISPR spacer sequence of E. coli corresponds to 10 in FIG.

Lipofectamine2000(Thermo Fisher Scientific社)1.5μLとOptiMEM(Thermo Fisher Scientific社)25μLとを混合し、室温で5分間インキュベートした。その後、上記のプラスミド+OptiMEM mixtureとLipofectamine2000+OptiMEM mixtureとを混合し、室温で20分間インキュベートした。得られた混合物を、HEK293T細胞を含む上記EF培地1mLと混合し、96ウェルプレートに播種した(それぞれのベクターの組み合わせにつき1ウェルずつ、合計12ウェルに播種した)。 1.5 μL of Lipofectamine2000 (Thermo Fisher Scientific) and 25 μL of OptiMEM (Thermo Fisher Scientific) were mixed and incubated at room temperature for 5 minutes. After that, the above plasmid+OptiMEM mixture and Lipofectamine2000+OptiMEM mixture were mixed and incubated at room temperature for 20 minutes. The resulting mixture was mixed with 1 mL of the above EF medium containing HEK293T cells and plated in a 96-well plate (1 well for each vector combination, 12 wells in total).

37℃、5%CO雰囲気下にて24時間培養後、Dual-Glo Luciferase assay system(Promega社)のプロトコールに従い、dual-Luciferaseアッセイを行った。ルシフェラーゼおよびレニラルシフェラーゼの測定には、Centro XS LB 960(BERTHOLD TECHNOLOGIES社)を用いた。 After culturing for 24 hours at 37° C. in a 5% CO 2 atmosphere, dual-Luciferase assay was performed according to the protocol of Dual-Glo Luciferase assay system (Promega). Centro XS 3 LB 960 (BERTHOLD TECHNOLOGIES) was used to measure luciferase and renilla luciferase.

対照実験として、以下の条件で同様の実験を行った。
1.Cas3プラスミド、Cse1(Cas8)プラスミド、Cse2(Cas11)プラスミド、Cas5プラスミド、Cas6プラスミドまたはCas7プラスミドのいずれか1つの代わりに、同量のpBluecscriptII KS(+)ベクター(Agilent Technologies社)を混合し、発現させた(図1の2~7)。
2.上記の操作手順で用いたcrRNAプラスミドの代わりに、標的配列とは相補的でないcrRNAを発現させるプラスミドを混合した。すなわち、CCR5遺伝子由来の標的配列に対しては、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列に対応するcrRNAを発現させるプラスミドを混合させ(図1の8)、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を標的とする場合は、CCR5遺伝子由来の配列に対応するcrRNAを発現させるプラスミドを混合し、発現させた(図1の11)。
3.ネガティブコントロールとして、CCR5由来の標的配列を有するレポーターベクターのみ(図1の9)、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を有するレポーターベクターのみ(図1の12)を発現させた。
As a control experiment, a similar experiment was conducted under the following conditions.
1. Instead of any one of Cas3 plasmid, Cse1 (Cas8) plasmid, Cse2 (Cas11) plasmid, Cas5 plasmid, Cas6 plasmid or Cas7 plasmid, the same amount of pBluescriptII KS (+) vector (Agilent Technologies) was mixed and expressed (2 to 7 in FIG. 1).
2. Instead of the crRNA plasmid used in the above procedure, a plasmid expressing crRNA that is not complementary to the target sequence was mixed. That is, for the target sequence derived from the CCR5 gene, a plasmid that expresses crRNA corresponding to the E. coli CRISPR spacer sequence is mixed (8 in FIG. 1), and when the E. coli CRISPR spacer sequence is targeted, Plasmids expressing crRNA corresponding to sequences derived from the CCR5 gene were mixed and expressed (11 in FIG. 1).
3. As negative controls, only the reporter vector having the CCR5-derived target sequence (9 in FIG. 1) and the reporter vector only having the E. coli CRISPR spacer sequence (12 in FIG. 1) were expressed.

(結果)
dual-Luciferaseアッセイの結果を図1上のグラフに、実験条件を図1下の表に示した。図1の(b)中、「CCR5-target」および「spacer-target」は、それぞれ、CCR5由来の標的配列および大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を表す。また、「CCR5-crRNA」および「spacer-crRNA」は、それぞれ、上記CCR5-targetと相補的な配列およびspacer-targetと相補的な配列を表す。
(result)
The results of the dual-Luciferase assay are shown in the upper graph of FIG. 1, and the experimental conditions are shown in the lower table of FIG. In FIG. 1(b), “CCR5-target” and “spacer-target” represent the CCR5-derived target sequence and E. coli CRISPR spacer sequence, respectively. "CCR5-crRNA" and "spacer-crRNA" represent sequences complementary to the above CCR5-target and spacer-target, respectively.

図1において、Cas3プラスミド、Cse1(Cas8)プラスミド、Cse2(Cas11)プラスミド、Cas5プラスミド、Cas6プラスミドおよびCas7プラスミドの全てと、標的配列に相補的なcrRNAプラスミドとを導入したシステムは、その他のシステムと比較して、高い切断活性を示した(1と2~8、10と11とをそれぞれ比較)。したがって、本発明の一実施形態に係る発現ベクターを用いることにより、ヒト細胞中において、Cas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7を発現させることが可能であることが分かった。 In FIG. 1, the system introduced with all of the Cas3 plasmid, Cse1 (Cas8) plasmid, Cse2 (Cas11) plasmid, Cas5 plasmid, Cas6 plasmid and Cas7 plasmid, and the crRNA plasmid complementary to the target sequence is different from the other systems. Comparatively, they exhibited high cleavage activity (compare 1 with 2-8 and 10 with 11, respectively). Therefore, by using the expression vector according to one embodiment of the present invention, Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 can be expressed in human cells. rice field.

また、上記発現ベクターをヒト細胞に導入することにより、ヒト細胞中でCas3、カスケードおよびcrRNAの複合体が形成され、標的配列を切断することが示唆された。 It was also suggested that introduction of the above expression vector into human cells forms a complex of Cas3, cascade and crRNA in human cells to cleave the target sequence.

さらに、図1において、8と9、および11と12とを比較すると、標的配列と相補的でないcrRNAを発現させたシステムにおいては、切断活性がネガティブコントロールと同等のレベルであった。すなわち、本発明のCRISPR-Cas3システムは、哺乳動物細胞内において、crRNAと相補的な配列を特異的に切断できることが示唆された。 Furthermore, comparing 8 and 9, and 11 and 12 in FIG. 1, in the system expressing crRNA that is not complementary to the target sequence, the level of cleavage activity was comparable to that of the negative control. That is, it was suggested that the CRISPR-Cas3 system of the present invention can specifically cleave sequences complementary to crRNA in mammalian cells.

〔実施例A-2〕
実施例A-1と同様の方法を用いて、タイプIのCRISPR-Casシステムによりヒト細胞の内因性DNAを切断できるか否かを評価するための実験を行った。
[Example A-2]
An experiment was conducted to evaluate whether endogenous DNA of human cells can be cleaved by the type I CRISPR-Cas system using a method similar to that of Example A-1.

具体的には、ヒト細胞において塩基配列を改変し、核移行シグナルを付加したCas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7と、プレcrRNAとを発現させ、上記細胞の内因性CCR5遺伝子の配列が切断されるか否かを評価した。 Specifically, modified nucleotide sequences in human cells, expressed Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 added with a nuclear localization signal, and pre-crRNA, endogenous to the cell It was evaluated whether sequences of the sex CCR5 gene were cleaved.

実施例A-1と同じHEK239T細胞を、1×10個/ウェルの密度で、24ウェルプレートに播種し、24時間培養した。 The same HEK239T cells as in Example A-1 were seeded in a 24-well plate at a density of 1×10 5 cells/well and cultured for 24 hours.

Cas3プラスミド1μg、Cse1(Cas8)プラスミド1.3μg、Cse2(Cas11)プラスミド1.3μg、Cas5プラスミド1.1μg、Cas6プラスミド0.8μg、Cas7プラスミド0.3μg、およびcrRNAプラスミド1μgを、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)50μLに混合した。次いで、Lipofectamine(登録商標)2000(Thermo Fisher Scientific社)5μL、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)50μL、およびEF培地1mLの混合物を、上記のDNA混合物に加えた。その後、得られた混合物1mLを、上記24ウェルプレートに添加した。 1 μg of Cas3 plasmid, 1.3 μg of Cse1 (Cas8) plasmid, 1.3 μg of Cse2 (Cas11) plasmid, 1.1 μg of Cas5 plasmid, 0.8 μg of Cas6 plasmid, 0.3 μg of Cas7 plasmid, and 1 μg of crRNA plasmid were added to Opti-MEM ( Thermo Fisher Scientific) 50 μL. A mixture of 5 μL Lipofectamine® 2000 (Thermo Fisher Scientific), 50 μL Opti-MEM (Thermo Fisher Scientific), and 1 mL EF medium was then added to the above DNA mixture. 1 mL of the resulting mixture was then added to the 24-well plate.

37℃、5%CO雰囲気下にて24時間培養後、EF培地1mLで培地を交換した。トランスフェクションから48時間後(培地交換から24時間後)、細胞を回収し、PBS中で1×10個/5μLの濃度に調整した。 After culturing for 24 hours at 37° C. in a 5% CO 2 atmosphere, the medium was replaced with 1 mL of EF medium. 48 hours after transfection (24 hours after medium change), cells were harvested and adjusted to a concentration of 1×10 4 cells/5 μL in PBS.

上記細胞を、95℃にて10分間加熱した。次に、プロテイナーゼKを10mg加え、55℃にて70分間インキュベートした。さらに、95℃にて10分間加熱処理をしたものを、PCRの鋳型として用いた。 The cells were heated at 95°C for 10 minutes. Next, 10 mg of proteinase K was added and incubated at 55° C. for 70 minutes. Furthermore, the one heat-treated at 95° C. for 10 minutes was used as a template for PCR.

上記鋳型10μLを、2ステップPCRを35サイクル施すことにより、増幅させた。このとき、PCRのプライマーには、配列番号47および48の配列を有するプライマーを使用した。また、DNAポリメラーゼにはKOD FX(東洋紡社)を用い、2ステップPCRの手順はKOD FXに添付のプロトコールに従った。PCRにより増幅された産物は、QIAquick PCR Purification Kit(QIAGEN社)を用いて精製した。具体的な手順は、上記キットに添付のプロトコールに従った。 10 μL of the template was amplified by 35 cycles of 2-step PCR. At this time, primers having sequences of SEQ ID NOS: 47 and 48 were used as PCR primers. KOD FX (Toyobo Co., Ltd.) was used as the DNA polymerase, and the two-step PCR procedure followed the protocol attached to KOD FX. The product amplified by PCR was purified using QIAquick PCR Purification Kit (QIAGEN). Specific procedures followed the protocol attached to the kit.

rTaq DNA polymerase(東洋紡社)を用いて、得られた精製DNAの3’末端にdAを付加した。上記精製DNAを2%アガロースゲル中で電気泳動させ、約500~700bpのバンドを切り出した後、Gel extraction kit(QIAGEN社)を用いて、切り出したゲルからDNAを抽出、精製した。次に、pGEM-T easy vector Systems(Promega社)を用いてTAクローニングを行い、上記DNAをクローニングした。最後に、アルカリプレップ法によってクローニングされたDNAを抽出し、サンガーシーケンスで解析した。解析には、BigDye(登録商標)Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit(Thermo Fisher Scientific社)およびApplied Biosystems 3730 DNA Analyzer(Thermo Fisher Scientific社)を用いた。 dA was added to the 3' end of the obtained purified DNA using rTaq DNA polymerase (Toyobo). The purified DNA was subjected to electrophoresis in a 2% agarose gel, and a band of about 500 to 700 bp was excised. DNA was extracted and purified from the excised gel using a Gel extraction kit (QIAGEN). Next, TA cloning was performed using pGEM-T easy vector Systems (Promega) to clone the above DNA. Finally, the cloned DNA was extracted by the alkaline prep method and analyzed by Sanger sequencing. BigDye (registered trademark) Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit (Thermo Fisher Scientific) and Applied Biosystems 3730 DNA Analyzer (Thermo Fisher Scientific) were used for the analysis.

本実施例におけるCRISPR-Casシステムの標的となる内因性CCR5遺伝子配列の概要を、図2に基づいて説明する。なお図2では、エキソンは大文字で、イントロンは小文字で表した。 An outline of the endogenous CCR5 gene sequence targeted by the CRISPR-Cas system in this example is described based on FIG. In FIG. 2, exons are indicated by capital letters and introns are indicated by lower case letters.

本実施例では、第3染色体短腕(P)21領域に位置する、CCR5遺伝子内の配列を標的とした(図2;配列番号46にCCR5の塩基配列の全長を示す)。具体的には、CCR5遺伝子のエキソン3内の配列を標的配列とした。コントロールとして、Cas9の標的配列も、ほぼ同じ位置に配置した。すなわち、下線部の配列全体がタイプIのCRISPR-Casシステムの標的配列(AAGおよびそれに続く32塩基)であり、二重下線部の配列がCas9の標的配列(CGGおよびそれに先立つ20塩基)である。タイプIのCRISPR-Casシステムの標的配列(AAGおよびそれに続く32塩基)へのガイドを可能とするように、crRNAの配列を設計した。 In this example, a sequence within the CCR5 gene located in the short arm (P) 21 region of chromosome 3 was targeted (Fig. 2; SEQ ID NO: 46 shows the full length of the base sequence of CCR5). Specifically, the sequence within exon 3 of the CCR5 gene was used as the target sequence. As a control, the Cas9 target sequence was also placed at approximately the same position. That is, the entire underlined sequence is the type I CRISPR-Cas system target sequence (AAG followed by 32 bases), and the double underlined sequence is the Cas9 target sequence (CGG followed by 20 bases). . The sequence of the crRNA was designed to allow guidance of the type I CRISPR-Cas system to the target sequence (AAG followed by 32 bases).

(結果)
上記実験の結果、元々の塩基配列と比較して、401bpが欠失しているクローン1、341bpが欠失しているクローン2、268bpが欠失しているクローン3、および344bpが欠失しているクローン4が得られた(図3A~D)。このことより、本発明のCRISPR-Cas3システムによって、ヒト細胞の内因性DNAを欠失できることが示された。すなわち、上記CRISPR-Casシステムによって、ヒト細胞のDNAの編集が可能であることが示唆された。
(result)
As a result of the above experiment, compared to the original nucleotide sequence, clone 1 with 401 bp deleted, clone 2 with 341 bp deleted, clone 3 with 268 bp deleted, and 344 bp deleted clone 4 was obtained (FIGS. 3A-D). This indicated that the endogenous DNA of human cells could be deleted by the CRISPR-Cas3 system of the present invention. That is, it was suggested that the CRISPR-Cas system enables editing of human cell DNA.

本実施例では、塩基対を欠失しているクローンが観察された。この事実は、本発明のCRISPR-Cas3システムによれば、複数の箇所でDNA切断が生じることを支持している。 In this example, clones lacking base pairs were observed. This fact supports that DNA cleavage occurs at multiple sites according to the CRISPR-Cas3 system of the present invention.

本発明のCRISPR-Cas3システムにより、数百塩基対(268~401bp)のDNAが欠失した。これは、Cas9を用いたCRISPR-Casシステムにより得られる欠失(通常DNA上の一箇所のみで切断)よりも、広範囲に渡るものであった。 Several hundred base pairs (268-401 bp) of DNA were deleted by the CRISPR-Cas3 system of the present invention. This was more extensive than the deletions obtained by the CRISPR-Cas system with Cas9, which usually cuts at only one site on the DNA.

〔実施例A-3〕
実施例A-1と同様の方法を用いて、CRISPR-Cas3システムによりヒト細胞の内因性DNAを切断できるか否かを評価するための、実験を行った。
[Example A-3]
An experiment was conducted to assess whether the CRISPR-Cas3 system can cleave endogenous DNA of human cells using a method similar to that of Example A-1.

具体的には、ヒト細胞において塩基配列を改変し、核移行シグナルを付加したCas3、Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6およびCas7と、プレcrRNAとを発現させ、上記細胞の内因性EMX1遺伝子の配列が切断されるか否かを評価した。 Specifically, modified nucleotide sequences in human cells, expressed Cas3, Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6 and Cas7 added with a nuclear localization signal, and pre-crRNA, endogenous to the cell It was evaluated whether sequences of the sex EMX1 gene were truncated.

実施例A-1と同じHEK293T細胞を、1×10個/ウェルの密度で、24ウェルプレートに播種し、24時間培養した。 The same HEK293T cells as in Example A-1 were seeded in a 24-well plate at a density of 1×10 5 cells/well and cultured for 24 hours.

Cas3プラスミド500ng、Cse1(Cas8)プラスミド500ng、Cse2(Cas11)プラスミド1μg、Cas5プラスミド1μg、Cas6プラスミド1μg、Cas7プラスミド3μg、およびcrRNAプラスミド500μgを、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)50μLに混合した。上記の混合物に、Lipofectamine(登録商標)2000(Thermo Fisher Scientific社)4μL、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)50μLを、さらに加えて、混合した。得られた混合物を、室温にて20分間インキュベートした後、上記HEK293T細胞に添加した。 500 ng of Cas3 plasmid, 500 ng of Cse1 (Cas8) plasmid, 1 μg of Cse2 (Cas11) plasmid, 1 μg of Cas5 plasmid, 1 μg of Cas6 plasmid, 3 μg of Cas7 plasmid, and 500 μg of crRNA plasmid were mixed in 50 μL of Opti-MEM (Thermo Fisher Scientific). To the above mixture, 4 μL of Lipofectamine® 2000 (Thermo Fisher Scientific) and 50 μL of Opti-MEM (Thermo Fisher Scientific) were further added and mixed. The resulting mixture was incubated at room temperature for 20 minutes and then added to the HEK293T cells.

ここで、実施例A-3において用いた、Casタンパク質群の発現ベクターの構造を、図7に示す。図7に示されているように、上記発現ベクターは、Casタンパク質群をコードする配列の前後をBPNLS(bipartite NLS)で挟んだものである([Suzuki K et al.(2016) In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration, Nature, Vol.540 (Issue 7631), pp.144-149]を参照)。BPNLSのアミノ酸配列はKRTADGSEFESPKKKRKVE(配列番号54)、塩基配列はAAGCGGACTGCTGATGGCAGTGAATTTGAGTCCCCAAAGAAGAAGAGAAAGGTGGAA(配列番号55)である。 Here, the structure of the Cas protein group expression vector used in Example A-3 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the expression vector is obtained by flanking the sequence encoding the Cas protein group with BPNLS (bipartite NLS) ([Suzuki K et al. (2016) In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration, Nature, Vol.540 (Issue 7631), pp.144-149]). BPNLS has an amino acid sequence of KRTADGSEFESPKKKRKVE (SEQ ID NO: 54) and a base sequence of AAGCGGACTGCTGATGGCAGTGAATTTGAGTCCCCAAAGAAGAAGAGAAAGGTGGAA (SEQ ID NO: 55).

上記HEK293T細胞を、37℃、5%CO雰囲気下にて24時間培養した後、EF培地1mL(1ウェルあたり1mL)と培地を交換した。トランスフェクションから48時間後(培地交換から24時間後)、細胞を回収し、PBS中で1×10個/5μLの濃度に調整した。 After the HEK293T cells were cultured at 37° C. in a 5% CO 2 atmosphere for 24 hours, the medium was replaced with 1 mL of EF medium (1 mL per well). 48 hours after transfection (24 hours after medium change), cells were harvested and adjusted to a concentration of 1×10 4 cells/5 μL in PBS.

上記細胞を、95℃にて10分間加熱した。次に、プロテイナーゼKを10mg加え、55℃にて70分間インキュベートした。さらに、95℃にて10分間加熱処理をしたものを、PCRの鋳型として用いた。 The cells were heated at 95°C for 10 minutes. Next, 10 mg of proteinase K was added and incubated at 55° C. for 70 minutes. Furthermore, the one heat-treated at 95° C. for 10 minutes was used as a template for PCR.

上記鋳型10μLを、3ステップPCRを40サイクル施すことにより、増幅させた。このとき、PCRのプライマーには、配列番号50および51の配列を有するプライマーを使用した。また、DNAポリメラーゼにはHotstartaq(QIAGEN社)を用い、3ステップPCRの手順はHotstartaqに添付のプロトコールに従った。PCRにより増幅された産物は、2%アガロースゲル中で電気泳動させ、約900~1100bpのバンドを切り出した後、Gel extraction kit(QIAGEN社)を用いて、切り出したゲルからDNAを抽出、精製した。具体的な手順は、上記キットに添付のプロトコールに従った。 10 μL of the template was amplified by 40 cycles of 3-step PCR. At this time, primers having sequences of SEQ ID NOS: 50 and 51 were used as PCR primers. Hotstartaq (QIAGEN) was used as the DNA polymerase, and the procedure of 3-step PCR followed the protocol attached to Hotstartaq. The product amplified by PCR was subjected to electrophoresis in a 2% agarose gel, and a band of about 900 to 1100 bp was excised. DNA was extracted and purified from the excised gel using a Gel extraction kit (QIAGEN). . Specific procedures followed the protocol attached to the kit.

次に、pGEM-T easy vector Systems(Promega社)を用いてTAクローニングを行い、上記DNAをクローニングした。最後に、アルカリプレップ法によってクローニングされたDNAを抽出し、サンガーシーケンスで解析した。解析には、BigDye(登録商標)Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit(Thermo Fisher Scientific社)およびApplied Biosystems 3730 DNA Analyzer(Thermo Fisher Scientific社)を用いた。 Next, TA cloning was performed using pGEM-T easy vector Systems (Promega) to clone the above DNA. Finally, the cloned DNA was extracted by the alkaline prep method and analyzed by Sanger sequencing. BigDye (registered trademark) Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit (Thermo Fisher Scientific) and Applied Biosystems 3730 DNA Analyzer (Thermo Fisher Scientific) were used for the analysis.

実施例A-3においてCRISPR-Cas3システムの標的となる、内因性EMX1遺伝子配列の概要を、図5に基づいて説明する。なお図5では、エキソンは大文字で、イントロンは小文字で表した。 A summary of the endogenous EMX1 gene sequence targeted by the CRISPR-Cas3 system in Example A-3 is provided based on FIG. In FIG. 5, exons are indicated by capital letters and introns are indicated by lower case letters.

実施例A-3では、第2染色体短腕(P)13領域に位置する、EMX1遺伝子内の配列を標的とした(図5;配列番号49にEMX1の塩基配列の全長を示す)。具体的には、EMX1遺伝子のエキソン3内の配列を標的配列とした。コントロールとして、Cas9の標的配列も、ほぼ同じ位置に配置した。すなわち、より上流にある下線部の配列がタイプIのCRISPR-Casシステムの標的配列(AAGおよびそれに続く32塩基)であり、より下流にある下線部の配列がCas9の標的配列(TGGおよびそれに先立つ20塩基)である。実施例A-3で用いたcrRNAの配列は、CRISPR-Cas3システムの標的配列(AAGおよびそれに続く32塩基)へのガイドを可能とするように設計されていた。 In Example A-3, a sequence within the EMX1 gene located in the short arm (P) 13 region of chromosome 2 was targeted (FIG. 5; SEQ ID NO: 49 shows the full-length base sequence of EMX1). Specifically, the sequence within exon 3 of the EMX1 gene was used as the target sequence. As a control, the Cas9 target sequence was also placed at approximately the same position. That is, the more upstream underlined sequence is the type I CRISPR-Cas system target sequence (AAG followed by 32 bases), and the more downstream underlined sequence is the Cas9 target sequence (TGG and 20 bases). The sequence of the crRNA used in Example A-3 was designed to allow guidance to the target sequence (AAG followed by 32 bases) of the CRISPR-Cas3 system.

(結果)
上記実験の結果、元々の塩基配列と比較して、513bpおよび363bpの2箇所が欠失しているクローン1、ならびに694bpが欠失しているクローン2が得られた(図6A、B)。この実験結果からも、本発明のCRISPR-Cas3システムによって、ヒト細胞の内因性DNAを欠失できることが示された。すなわち、上記CRISPR-Cas3システムによって、ヒト細胞のDNAの編集が可能であることが示唆された。
(result)
As a result of the above experiment, clone 1 with two deletions of 513 bp and 363 bp and clone 2 with 694 bp deletion compared to the original base sequence were obtained (FIGS. 6A and 6B). This experimental result also demonstrated that the CRISPR-Cas3 system of the present invention can delete the endogenous DNA of human cells. That is, it was suggested that the CRISPR-Cas3 system allows editing of human cell DNA.

また、二本鎖DNAの2箇所以上において切断が生じていること、および数百塩基対のDNAが欠失することも実施例A-2と同様であった。したがって、実施例A-3の結果は、実施例A-2から得られた示唆を、より強固に支持するものである。 Further, the double-stranded DNA was cleaved at two or more sites and several hundred base pairs of DNA were deleted, as in Example A-2. Therefore, the results of Example A-3 more strongly support the suggestions obtained from Example A-2.

〔実施例A-4〕
塩基配列を改変し、さらにカスケードタンパク質をコードする塩基配列を連結したCRISPR-Cas3システムを、HEK293T細胞に発現させ、外因性DNAの標的配列の切断活性を評価した。
[Example A-4]
HEK293T cells expressed the CRISPR-Cas3 system, in which the base sequence was modified and the base sequence encoding the cascade protein was linked, and the activity of cleaving the target sequence of exogenous DNA was evaluated.

実施例A-4においては、レポーターベクター100ng;Cas3プラスミド、カスケード(2A)プラスミドおよびcrRNAプラスミド各200ng;pRL-TKベクター(レニラルシフェラーゼを発現可能、Promega社)60ng;ならびに、pBluecscriptII KS(+)ベクター(Agilent Technologies社)300ngを、Opti-MEM(Thermo Fisher Scientific社)25μLに混合した。レポーターベクターとして、CCR5由来の標的配列を有するレポーターベクターを用いた条件が図9の(b)の1に相当し、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を有するレポーターベクターを用いた条件が図9の(b)の6に相当する。 In Example A-4, 100 ng of reporter vector; 200 ng each of Cas3 plasmid, cascade (2A) plasmid and crRNA plasmid; pRL-TK vector (capable of expressing Renilla luciferase, Promega) 60 ng; 300 ng of vector (Agilent Technologies) was mixed with 25 μL of Opti-MEM (Thermo Fisher Scientific). As the reporter vector, the conditions using a reporter vector having a CCR5-derived target sequence correspond to 1 in (b) of FIG. ) corresponds to 6.

ここで、上記レポーターベクターは、〔製造例〕の[1]で製作した2種類のレポーターベクター(すなわち、図4の(d)に示されている構造のベクター)を用いた。また、上記カスケード(2A)プラスミドは、〔製造例〕の[4]で製作した発現ベクター(すなわち、図8に示されている構造のベクター)を用いた。 Here, two types of reporter vectors produced in [1] of [Manufacturing Example] (that is, vectors having the structure shown in FIG. 4(d)) were used. As the cascade (2A) plasmid, the expression vector produced in [4] of [Manufacturing Example] (that is, the vector having the structure shown in FIG. 8) was used.

上記の発現ベクターを用いた以外は、実施例A-1と同様の手法により、dual-Luciferaseアッセイを行った。 A dual-Luciferase assay was performed in the same manner as in Example A-1, except that the above expression vector was used.

また、対照実験として、以下の条件で同様の実験を行った。
1.Cas3プラスミドおよびカスケード(2A)プラスミドのいずれか一方の代わりに、同量のpBluscriptII KS(+)ベクター(Agilent Technologies社)を混合し、発現させた(図9の2および3)。
2.上記の操作手順で用いたcrRNAプラスミドの代わりに、標的配列とは相補的でないcrRNAを発現させるプラスミドを混合した。すなわち、CCR5遺伝子由来の標的配列に対しては、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列に対応するcrRNAを発現させるプラスミドを混合させ(図9の4)、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を標的とする場合は、CCR5遺伝子由来の配列に対応するgRNAを発現させるプラスミドを混合し、発現させた(図9の7)。
3.ネガティブコントロールとして、CCR5由来の標的配列を有するレポーターベクターのみ(図9の5)、大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を有するレポーターベクターのみ(図9の8)を発現させた。
Also, as a control experiment, a similar experiment was conducted under the following conditions.
1. Instead of either Cas3 plasmid or cascade (2A) plasmid, the same amount of pBluscriptII KS(+) vector (Agilent Technologies) was mixed and expressed (2 and 3 in FIG. 9).
2. Instead of the crRNA plasmid used in the above procedure, a plasmid expressing crRNA that is not complementary to the target sequence was mixed. That is, for the target sequence derived from the CCR5 gene, a plasmid that expresses crRNA corresponding to the E. coli CRISPR spacer sequence is mixed (4 in FIG. 9), and when the E. coli CRISPR spacer sequence is targeted, Plasmids expressing gRNAs corresponding to sequences derived from the CCR5 gene were mixed and expressed (7 in FIG. 9).
3. As negative controls, only a reporter vector having a CCR5-derived target sequence (5 in FIG. 9) and only a reporter vector having a spacer sequence of E. coli CRISPR (8 in FIG. 9) were expressed.

(結果)
dual-Luciferaseアッセイの結果を図9上のグラフに、実験条件を図9下の表に示した。図9において、「CCR5-target」および「spacer-target」は、それぞれ、CCR5由来の標的配列および大腸菌のCRISPRのスペーサー配列を表す。また、「CCR5-crRNA」および「spacer-crRNA」は、それぞれ、上記CCR5-targetと相補的な配列およびspacer-targetと相補的な配列を表す。
(result)
The results of the dual-Luciferase assay are shown in the upper graph of FIG. 9, and the experimental conditions are shown in the lower table of FIG. In FIG. 9, “CCR5-target” and “spacer-target” represent the CCR5-derived target sequence and E. coli CRISPR spacer sequence, respectively. "CCR5-crRNA" and "spacer-crRNA" represent sequences complementary to the above CCR5-target and spacer-target, respectively.

図9に示されているように、Cas3プラスミドおよびカスケード(2A)プラスミドの両方と、標的配列に相補的なcrRNAプラスミドとを導入したシステムは、その他のシステムと比較して、有意に高い切断活性を示した(1と2~5、6と7~8とをそれぞれ比較)。これより、カスケードタンパク質をコードする塩基配列を連結して発現させたシステムにおいても、本発明の一実施形態に係るCRISPR-Casシステムによれば、哺乳動物細胞内において、crRNAと相補的な配列を特異的に切断できることが示唆された。 As shown in Figure 9, the system incorporating both the Cas3 and Cascade (2A) plasmids and the crRNA plasmid complementary to the target sequence showed significantly higher cleavage activity compared to the other systems. (compare 1 with 2-5 and 6 with 7-8, respectively). From this, even in a system in which a nucleotide sequence encoding a cascade protein is linked and expressed, according to the CRISPR-Cas system according to one embodiment of the present invention, a sequence complementary to crRNA is generated in mammalian cells. It was suggested that it can be cleaved specifically.

B.真核細胞におけるCRISPR-Cas3システムによるゲノム編集に影響を与える要素などの検証
〔材料と方法〕
[1]Cas遺伝子とcrRNAの構成
bpNLSをそれぞれの5’側および3’側に付加した、大腸菌K-12株由来のCas3とカスケードの構成遺伝子(Cse1, Cse2, Cas5, Cas6, Cas7)を設計し、哺乳動物細胞にコドンオプティマイズ後に遺伝子合成によりクローニングした。これらの遺伝子は、サンガー研究所より寄贈されたpPB-CAG.EBNXNプラスミドのCAGプロモーターの下流にサブクローニングした。H74A(dead nickase; dn)、K320N(dead helicase; dh)、S483AとT485Aの二重変異体(dead helicase ver.2; dh2)といったCas3の変異体は、PrimeSTAR MAXのPCR産物をセルフライゲーションすることで作製した。crRNAの発現プラスミドに関して、U6プロモーター下のスペーサーの位置に2カ所のBbsI制限酵素部位を持っているcrRNAの配列を合成した。全てのcrRNA発現プラスミドは、BbsI制限酵素サイトに、標的配列の32塩基対の二重鎖オリゴを挿入することで作製した。
B. Verification of factors affecting genome editing by the CRISPR-Cas3 system in eukaryotic cells [Materials and methods]
[1] Construction of Cas gene and crRNA bpNLS was added to each 5' side and 3' side, Cas3 derived from E. coli K-12 strain and cascade constituent genes (Cse1, Cse2, Cas5, Cas6, Cas7) are designed and cloned into mammalian cells by gene synthesis after codon optimization. These genes are pPB-CAG. It was subcloned downstream of the CAG promoter in the EBNXN plasmid. Cas3 mutants such as H74A (dead nickase; dn), K320N (dead helicase; dh), S483A and T485A double mutants (dead helicase ver.2; dh2) can self-ligate PrimeSTAR MAX PCR products made with For the crRNA expression plasmid, a crRNA sequence having two BbsI restriction enzyme sites at the position of the spacer under the U6 promoter was synthesized. All crRNA expression plasmids were generated by inserting a 32 base pair double stranded oligo of the target sequence into the BbsI restriction enzyme site.

Cas9-sgRNA発現プラスミドであるpX330-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9は、Addgeneから入手した。gRNAを設計するために、ヒトゲノムでのユニークな標的部位を予測するCRISPR web tool、CRISPR design tool、および/またはCRISPRdirectを用いた。標的配列は、Feng Zhang研究所のプロトコルに従って、pX330のsgRNAスキャフォールドにクローニングした。 The Cas9-sgRNA expression plasmid, pX330-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9, was obtained from Addgene. To design gRNAs, we used the CRISPR web tool, the CRISPR design tool, and/or CRISPRdirect, which predicts unique target sites in the human genome. Target sequences were cloned into the sgRNA scaffold of pX330 according to the Feng Zhang laboratory protocol.

2カ所のBsaI制限酵素部位を含むSSAレポータープラスミドは、広島大学の山本卓教授より寄贈された。ゲノム領域の標的配列は、BsaIサイトに挿入した。レニラルシフェラーゼベクターとして、pRL-TK(Promega社)を入手した。全てのプラスミドは、PureLink HiPure Plasmid Purification Kit(Thermo Fisher社)を用いて、ミディプレップもしくはマキシプレップ法により準備した。 An SSA reporter plasmid containing two BsaI restriction enzyme sites was donated by Professor Suguru Yamamoto of Hiroshima University. The target sequence of the genomic region was inserted at the BsaI site. As a Renilla luciferase vector, pRL-TK (Promega) was obtained. All plasmids were prepared by the midiprep or maxiprep method using the PureLink HiPure Plasmid Purification Kit (Thermo Fisher).

[2]HEK293T細胞でのDNA切断活性の評価
哺乳動物細胞でDNA切断活性を検出するために、実施例Aと同様に、SSAアッセイを実施した。HEK293T細胞は、10%胎児ウシ血清を加えたhigh-Glucose Dulbecco’s modified Eagle’s medium(Thermo fisher社)で、37℃、5%CO下で培養した。0.5×10個の細胞を96穴プレートのウェルに播種し、24時間後に、Cas3、Cse1、Cse2、Cas7、Cas5、Cas6、crRNA発現プラスミド(それぞれ100ng)、SSAレポーターベクター(100ng)、レニラルシフェラーゼベクター(60ng)を、lipofectamine2000およびOptiMEM(Life Technologies社)を用いて、わずかに修正したプロトコルに従い、HEK293T細胞にトランスフェクションした。トランスフェクションの24時間後に、Dual-Glo luciferase assay system(Promega社)を用い、プロトコルに従って、デュアルルシフェラーゼアッセイを行った。
[2] Evaluation of DNA cleaving activity in HEK293T cells SSA assay was performed in the same manner as in Example A in order to detect DNA cleaving activity in mammalian cells. HEK293T cells were cultured in high-glucose Dulbecco's modified Eagle's medium (Thermo Fisher) supplemented with 10% fetal bovine serum at 37° C. under 5% CO 2 . 0.5×10 4 cells were seeded in wells of a 96-well plate and after 24 hours, Cas3, Cse1, Cse2, Cas7, Cas5, Cas6, crRNA expression plasmids (100 ng each), SSA reporter vector (100 ng), Renilla luciferase vector (60 ng) was transfected into HEK293T cells using lipofectamine2000 and OptiMEM (Life Technologies) following a slightly modified protocol. Twenty-four hours after transfection, a dual-luciferase assay was performed using the Dual-Glo luciferase assay system (Promega) according to the protocol.

[3]HEK293T細胞でのインデルの検出
2.5x10個の細胞を24穴プレートのウェルに播種した24時間後に、Cas3、Cse1、Cse2、Cas7、Cas5、Cas6、crRNA発現プラスミド(それぞれ250ng)を、lipofectamine2000とOptiMEM(Life Technologies社)を用い、わずかに修正したプロトコルに従って、HEK293T細胞にトランスフェクションした。トランスフェクションの2日後、Tissue XS kit(Takara-bio社)を用いて、プロトコルに従い、回収した細胞から全DNAを抽出した。標的遺伝子座をGflex (Takara bio社)またはQuick Taq HS DyeMix (TOYOBO社)を用いて増幅し、アガロースゲルで電気泳動した。PCR産物における小さな挿入/欠失変異を検出するために、SURVEYOR Mutation Detection Kit(Integrated DNA Technologies社)をプロトコルに従い用いた。TAクローニングでは、pCR4Blunt-TOPO plasmid vector(Life Technologies社)をプロトコルに従い用いた。シークエンス解析には、BigDye Terminator Cycle Sequencing KitおよびABI PRISM 3130 Genetic Analyzer(Life Technologies社)を用いた。
[3] Detection of indels in HEK293T cells Cas3, Cse1, Cse2, Cas7, Cas5, Cas6, crRNA expression plasmids (250 ng each) were added 24 hours after seeding 2.5 x 10 4 cells in wells of a 24-well plate. , lipofectamine2000 and OptiMEM (Life Technologies) were used to transfect HEK293T cells according to a slightly modified protocol. Two days after transfection, total DNA was extracted from the harvested cells using Tissue XS kit (Takara-bio) according to the protocol. Target loci were amplified using Gflex (Takara bio) or Quick Taq HS DyeMix (TOYOBO) and electrophoresed on an agarose gel. To detect small insertion/deletion mutations in PCR products, the SURVEYOR Mutation Detection Kit (Integrated DNA Technologies) was used according to the protocol. In TA cloning, pCR4Blunt-TOPO plasmid vector (Life Technologies) was used according to the protocol. BigDye Terminator Cycle Sequencing Kit and ABI PRISM 3130 Genetic Analyzer (Life Technologies) were used for sequence analysis.

珍しい様々な変異を検出するために、TruSeq Nano DNA Library Prep Kit(Illumina社)を用いてPCR増幅産物のDNAライブラリを調製し、Macrogenの標準手順に従ってMiSeq(2 x 150bp)でアンプリコンシークエンスを行った。それぞれのサンプルのローリード(raw reads)を、BWA-MEMによってヒトゲノムのhg38にマップした。カバレッジデータは、Integrative Genomics Viewer(IGV)で視覚化し、標的領域でのヒストグラムを抽出した。 To detect a variety of rare mutations, a DNA library of PCR amplification products was prepared using the TruSeq Nano DNA Library Prep Kit (Illumina) and amplicon sequenced on MiSeq (2 x 150 bp) according to Macrogen's standard procedures. rice field. Raw reads of each sample were mapped to hg38 of the human genome by BWA-MEM. Coverage data were visualized with the Integrative Genomics Viewer (IGV) and histograms over target regions were extracted.

哺乳動物細胞でのSNP-KI(スニップノックイン)を検出するための、mCherry-P2A-EGFP c321C>Gを持ったレポーターHEK293T細胞は、中田慎一郎教授から寄贈頂いた。レポーター細胞は、1μg/mlのピューロマイシンで培養した。500ngのドナープラスミドまたは1本鎖DNAを、CRISPR-Cas3とともに、上記の方法で共導入した。トランスフェクション5日後に全細胞を回収し、AriaIIIu(BD)を用いてFACS解析を行った。GFP陽性細胞をソートし、上記の方法で全DNAを抽出した。ゲノムにおけるSNP交換は、HiDi DNA polymerase(myPOLS Biotec社)を用いたPCR増幅により検出した。 Reporter HEK293T cells with mCherry-P2A-EGFP c321C>G for detecting SNP-KI (snip knock-in) in mammalian cells were donated by Professor Shinichiro Nakata. Reporter cells were incubated with 1 μg/ml puromycin. 500 ng of donor plasmid or single-stranded DNA was co-transfected with CRISPR-Cas3 as described above. All cells were harvested 5 days after transfection and subjected to FACS analysis using AriaIIIu (BD). GFP-positive cells were sorted and total DNA was extracted as described above. SNP exchanges in the genome were detected by PCR amplification using HiDi DNA polymerase (myPOLS Biotec).

[4]オフターゲット部位の候補の検出
タイプI-E CRISPRのオフターゲット候補は、ヒトゲノムのhg38において、2つの異なった手順によりGGGenomeを用いて検出した。PAM候補の配列としては、既報(Leenay, R.T, et al. Mol. Cell 62, 137-147(2016)、Jung, et al. Mol. Cell. 2017Jung et al., Cell 170, 35-47(2017))に従い、AAG、ATG、AGG、GAG、TAG、AACを選択した。6の倍数のポジションは標的部位として認識されないことが報告されていたことから(Kunne et al., Molecular Cell 63, 1-13(2016))、最初のアプローチでは、これらを除いた標的配列の32塩基対に対して、よりミスマッチが少ないものを選択した。次のアプローチでは、標的配列のPAM側5’端に完全にマッチしている領域を検出し、高い順にリストした。
[4] Detection of Off-Target Site Candidates Off-target candidates of type IE CRISPR were detected in hg38 of the human genome using GGGenome by two different procedures. PAM candidate sequences have been reported (Leenay, RT, et al. Mol. Cell 62, 137-147 (2016), Jung, et al. Mol. Cell. 2017 Jung et al., Cell 170, 35-47 (2017)), AAG, ATG, AGG, GAG, TAG, AAC were selected. Since it has been reported that positions multiple of 6 are not recognized as target sites (Kunne et al., Molecular Cell 63, 1-13 (2016)), in the first approach, 32 of the target sequences excluding these Those with fewer mismatches were selected for the base pairs. In the next approach, perfect matching regions to the PAM 5' end of the target sequence were detected and listed in descending order.

[5]オフターゲット解析のディープシークエンス
全ゲノムシークエンスでは、トランスフェクションされたHEK293T細胞からゲノムDNAを抽出し、Covaris sonicatorを使用して切断した。TruSeq DNA PCR-Free LT Library Prep Kit(Illumina社)を用いてDNAライブラリを準備し、タカラバイオの標準手順に従い、HiSeq X(2×150bp)を用いてゲノムシークエンスを行った。それぞれのサンプルのローリード(raw reads)を、BWA-MEMによりヒトゲノムのhg38にマップし、Trimmomatic programによってクリーニングした。ディスコーダントリードペア(Discordant read pairs)とスプリットリード(split reads)は、それぞれsamtoolsとLumpy-svによって除外した。同じ染色体での大きい欠失だけを検出するために、Genome Analysis Toolkit programのBadMateFilterを用いて、異なる染色体にマップされたリードペアを除去した。それぞれ100kb領域でのディスコーダントリードペアまたはスプリットリードの総数をBedtoolsでカウントし、ネガティブコントロールとのエラー率を算出した。シークエンス前のオフターゲット候補を豊富にするために、SureSelectXT custom DNA probesをSureDesignによって適度にストリンジェントな条件で設計し、Agilent technologiesが作製した。標的領域は、以下の通り、選択した。標的領域付近のプローブは、PAMの上流800kbと下流200kbをカバーした。CRISPR-Cas3のオフターゲット領域付近では、PAM候補の9kb上流と1kb下流をカバーした。CRISPR-Cas9のオフターゲット領域付近では、PAMの上流、下流それぞれ1kbをカバーした。SureSelectXT reagent kitとcustom probe kitによるDNAライブラリの準備の後、タカラバイオの標準手順に従い、Hiseq 2500(2×150bp)により、ゲノムシークエンスを行った。同一の染色体でのディスコーダントリードペアとスプリットリードは、上記の方法で除外した。それぞれ10kb領域でのディスコーダントリードペアまたはスプリットリードの総数をBedtoolsでカウントし、ネガティブコントロールとのエラー率を算出した。
[5] Deep sequencing for off-target analysis For whole genome sequencing, genomic DNA was extracted from transfected HEK293T cells and digested using a Covaris sonicator. A DNA library was prepared using TruSeq DNA PCR-Free LT Library Prep Kit (Illumina), and genome sequencing was performed using HiSeq X (2×150 bp) according to Takara Bio's standard procedures. Raw reads of each sample were mapped to hg38 of the human genome by BWA-MEM and cleaned by the Trimmomatic program. Discordant read pairs and split reads were excluded by samtools and Lumpy-sv, respectively. To detect only large deletions on the same chromosome, the Genome Analysis Toolkit program's BadMateFilter was used to remove read pairs that mapped to different chromosomes. The total number of discordant read pairs or split reads in each 100 kb region was counted with Bedtools, and the error rate with the negative control was calculated. To enrich for off-target candidates prior to sequencing, SureSelectXT custom DNA probes were designed under moderately stringent conditions by SureDesign and manufactured by Agilent Technologies. Target regions were selected as follows. Probes near the target region covered 800 kb upstream and 200 kb downstream of the PAM. Near the off-target region of CRISPR-Cas3, we covered 9 kb upstream and 1 kb downstream of the PAM candidate. In the vicinity of the off-target region of CRISPR-Cas9, 1 kb upstream and downstream of PAM was covered. After preparation of the DNA library using the SureSelectXT reagent kit and custom probe kit, genome sequencing was performed using Hiseq 2500 (2×150 bp) according to Takara Bio's standard procedures. Discordant read pairs and split reads on the same chromosome were excluded as described above. The total number of discordant read pairs or split reads in each 10 kb region was counted with Bedtools, and the error rate with the negative control was calculated.

〔実施例B-1〕DNA切断活性におけるcrRNAと核移行シグナルの種類の影響
実施例Aでは、偶然にも、crRNAとしてプレcrRNA(LRSR;リーダー配列-リピート配列-スペーサー配列-リピート配列)を含むCRISPR-Cas3システムを利用して真核細胞におけるゲノム編集に成功した。ここで、本発明者は、これまで長年に渡ってCRISPR-Cas3システムを利用した真核細胞でのゲノム編集に成功しなかった理由が、crRNAとして成熟crRNAが用いられてきたことにあるのではないかと考えた。そこで、crRNAとして、プレcrRNA(LRSR)の他に、プレcrRNA(RSR;リピート配列-スペーサー配列-リピート配列)と成熟crRNA(5’ハンドル配列-スペーサー配列-3’ハンドル配列)を調製し、実施例Aのレポーターシステムによりゲノム編集効率を検証した(図10A、B)。なお、プレcrRNA(LRSR)、プレcrRNA(RSR)、成熟crRNAの塩基配列を、それぞれ配列番号:63、64、65に示す。
[Example B-1] Influence of type of crRNA and nuclear localization signal on DNA cleavage activity In Example A, by chance, the crRNA includes pre-crRNA (LRSR; leader sequence-repeat sequence-spacer sequence-repeat sequence). Genome editing in eukaryotic cells was successfully performed using the CRISPR-Cas3 system. Here, the present inventor believes that the reason why genome editing in eukaryotic cells using the CRISPR-Cas3 system has not been successful for many years is that mature crRNA has been used as crRNA. I wondered. Therefore, as crRNA, in addition to pre-crRNA (LRSR), pre-crRNA (RSR; repeat sequence-spacer sequence-repeat sequence) and mature crRNA (5' handle sequence-spacer sequence-3' handle sequence) were prepared and carried out. Genome editing efficiency was verified by the reporter system of Example A (Fig. 10A, B). The nucleotide sequences of pre-crRNA (LRSR), pre-crRNA (RSR) and mature crRNA are shown in SEQ ID NOs: 63, 64 and 65, respectively.

その結果、成熟crRNAを用いたCRISPR-Cas3システムでは、標的DNAの切断活性が認められなかった。その一方、驚くべきことに、プレcrRNA(LRSR、RSR)を用いた場合には、非常に高い標的DNAの切断活性が認められた。CRISPR-Cas3システムにおけるこの結果は、成熟crRNAを用いることにより高いDNA切断活性が認められるCRISPR-Cas9システムと対照的である。また、この事実は、CRISPR-Cas3システムによって、これまで真核細胞におけるゲノム編集に成功しなかった主たる理由の一つとして、成熟crRNAが用いられてきたことが挙げられることを示唆する。 As a result, target DNA cleavage activity was not observed in the CRISPR-Cas3 system using mature crRNA. On the other hand, surprisingly, when pre-crRNA (LRSR, RSR) was used, a very high target DNA cleaving activity was observed. This result in the CRISPR-Cas3 system is in contrast to the CRISPR-Cas9 system where high DNA cleavage activity is observed using mature crRNA. This fact also suggests that one of the main reasons why the CRISPR-Cas3 system has not succeeded in genome editing in eukaryotic cells so far is that mature crRNA has been used.

また、Cas3に付加する核移行シグナルとして、SV40核移行シグナルとバイパルタイト核移行シグナルを用いた検証も行った(図11)。その結果、バイパルタイト核移行シグナルを用いた場合に、より高い標的DNAの切断活性が認められた。 In addition, as a nuclear localization signal to be added to Cas3, verification was also performed using the SV40 nuclear localization signal and the bipartite nuclear localization signal (Fig. 11). As a result, higher target DNA cleavage activity was observed when the bipartite nuclear localization signal was used.

よって、以降の実験では、crRNAとして、プレcrRNA(LRSR)を、核移行シグナルとして、バイパルタイト核移行シグナルを使用した。 Therefore, in subsequent experiments, pre-crRNA (LRSR) was used as crRNA, and bipartite nuclear localization signal was used as nuclear localization signal.

〔実施例B-2〕DNA切断活性におけるPAM配列の影響
CRISPR-Cas3システムの標的特異性を確認するために、DNA切断活性における様々なPAM配列の効果を調べた(図12)。SSAアッセイでは、異なったPAM配列によってDNA切断活性は様々な結果となった。5’-AAG PAMが最も高い活性を示し、AGG、GAG、TAC、ATG、TAGも注目すべき活性をみせた。
[Example B-2] Effect of PAM Sequence on DNA Cleavage Activity In order to confirm the target specificity of the CRISPR-Cas3 system, the effect of various PAM sequences on DNA cleavage activity was examined (Fig. 12). In the SSA assay, different PAM sequences resulted in variable DNA cleavage activity. 5'-AAG PAM showed the highest activity, and AGG, GAG, TAC, ATG and TAG also showed remarkable activity.

〔実施例B-3〕DNA切断活性におけるcrRNAとスペーサー配列のミスマッチの影響
大腸菌のカスケードの結晶構造の過去の研究では、crRNAとスペーサーDNAとの間で5塩基区画のヘテロ2本鎖を形成することが示されており、これはCas7エフェクターのサムエレメントにより、6番目のポジション毎に塩基対合が破綻することによる(図13)。DNA切断活性でのcrRNAとスペーサー配列のミスマッチの影響を評価した(図1g)。標的として認識されない塩基(ポジション6)を除いて、シード領域(ポジション1-8)でのどの単一ミスマッチでも切断活性は劇的に落ちた。
[Example B-3] Effect of mismatch between crRNA and spacer sequence on DNA-cleavage activity In previous studies of the crystal structure of the E. coli cascade, a heteroduplex of 5 base segments is formed between crRNA and spacer DNA. It has been shown that this is due to base-pairing disruption at every sixth position by the Cas7 effector thumb element (FIG. 13). The effect of mismatches between crRNA and spacer sequences on DNA cleavage activity was evaluated (Fig. 1g). Any single mismatch in the seed region (positions 1-8) reduced the cleavage activity dramatically, except for bases not recognized as targets (position 6).

〔実施例B-4〕DNA切断活性におけるCas3の各ドメインの必要性の検証
Cas3タンパクの触媒的特徴のインビトロでの性質決定では、N末端のHDヌクレアーゼドメインがDNA基質の1本鎖領域を切断し、続いて、C末端のSF2ヘリケースドメインが、ATP依存的に、標的DNA上を3’から5‘方向へ進行してほどいていくことが明らかになった。3つのCas3の変異体、すなわち、HDドメインH74Aの変異体(dnCas3)、SF2ドメインモチーフ1のK320Nの変異体(dhCas3)、およびSF2ドメインモチーフ3のS483A/T485Aのダブルの変異体(dh2Cas3)を作製して、Cas3ドメインがDNA切断に必要か否かを検証した(図14)。その結果、3つ全てのCas3タンパクの変異体でDNA切断活性が完全に消失しており、Cas3はHDヌクレアーゼドメインとSF2ヘリケースドメインを通して標的DNAを切断できることが判明した。
[Example B-4] Verification of the requirement of each domain of Cas3 for DNA-cleaving activity In vitro characterization of the catalytic characteristics of the Cas3 protein showed that the N-terminal HD nuclease domain cleaves the single-stranded region of the DNA substrate. Subsequently, it was revealed that the C-terminal SF2 helicase domain unwinds from the 3' to 5' direction on the target DNA in an ATP-dependent manner. Three Cas3 mutants, namely the HD domain H74A mutant (dnCas3), the SF2 domain motif 1 K320N mutant (dhCas3), and the SF2 domain motif 3 S483A/T485A double mutant (dh2Cas3) generated to verify whether the Cas3 domain is required for DNA cleavage (Figure 14). As a result, all three Cas3 protein mutants completely lost the DNA-cleaving activity, indicating that Cas3 can cleave target DNA through the HD nuclease domain and the SF2 helicase domain.

〔実施例B-5〕様々なタイプのCRISPR-Cas3システムにおけるDNA切断活性の検証
タイプ1のCRISPR-Cas3システムは高度に多様化している(タイプ1のA~Gの7種類)。上記実施例では、タイプI-EのCRISPR-Cas3システムにおける真核細胞でのDNA切断活性を検証したが、本実施例では、それ以外のタイプ1のCRISPR-Cas3システム(タイプI-FとタイプI-G)におけるDNA切断活性の検証を行った。具体的には、タイプI-Fのシュワネラ・プトレファシエンスのCas3、Cas5-7、およびタイプI-Gのピュロコックス・フリオススのCas5-8をコドンオプティマイズしクローニングした(図15)。その結果、DNA切断活性の強さに差異はあるものの、293T細胞を用いたSSAアッセイにおいて、これらのタイプ1のCRISPR-Cas3システムにもDNA切断活性が認められた。
[Example B-5] Verification of DNA cleavage activity in various types of CRISPR-Cas3 systems Type 1 CRISPR-Cas3 systems are highly diversified (7 types of type 1 A to G). In the above example, the DNA cleavage activity in eukaryotic cells in the type I-E CRISPR-Cas3 system was verified, but in this example, other type 1 CRISPR-Cas3 systems (type I-F and type IG) was verified for DNA cleavage activity. Specifically, type IF Shewanella putrefaciens Cas3, Cas5-7, and type IG Pyrococcus furiosus Cas5-8 were codon-optimized and cloned (FIG. 15). As a result, in the SSA assay using 293T cells, these type 1 CRISPR-Cas3 systems also exhibited DNA cleavage activity, although there was a difference in the strength of the DNA cleavage activity.

〔実施例B-6〕CRISPR-Cas3システムにより内因性遺伝子に導入された変異の検証
CRISPR-Cas3システムにより内因性遺伝子に導入された変異を、タイプI-Eシステムを利用して検証した。EMX1遺伝子とCCR5遺伝子を標的遺伝子として選択し、プレcrRNA(LRSR)プラスミドを調製した。293T細胞にプレcrRNAと6つのCas(3,5-8,11)エフェクターをコードするプラスミドをリポフェクションした結果、CRISPR-Cas3により数百から数千塩基対の欠失が主に標的領域のスペーサー配列の5’PAMの上流方向で起きたことが明らかとなった(図16)。修復されたジャンクションでの5-10塩基対のマイクロホモロジーが確認でき、アニーリング依存性の修復経路による相補鎖のアニーリングによって起こったのかもしれない。なお、成熟crRNAプラスミドでは、EMX1とCCR5領域でのゲノム編集は見られなかった。
[Example B-6] Verification of mutations introduced into endogenous genes by CRISPR-Cas3 system Mutations introduced into endogenous genes by the CRISPR-Cas3 system were verified using the type IE system. The EMX1 gene and the CCR5 gene were selected as target genes and a pre-crRNA (LRSR) plasmid was prepared. Lipofection of 293T cells with pre-crRNA and plasmids encoding six Cas (3,5-8,11) effectors revealed that CRISPR-Cas3 caused deletions of hundreds to thousands of base pairs, mainly in the spacer sequence of the target region. was found to occur in the upstream direction of the 5' PAM of . A 5-10 base pair microhomology at the repaired junction can be identified and may have occurred due to annealing of complementary strands by an annealing-dependent repair pathway. In the mature crRNA plasmid, no genome editing was observed in the EMX1 and CCR5 regions.

PCR産物のTAクローニングとサンガーシークエンスにより、よりCas3によるゲノム編集を特徴付けるために、96個のTAクローンをピックアップし、シークエンスで野生型のEMX1の配列と比較した(図17)。配列の挿入を確認できた49クローンのうち24クローンで最小596塩基対、最大1447塩基対、平均985塩基対の欠失を認めた(46.3%の効率)。半分のクローン(n=12)でPAMとスペーサーの配列を含んで大きな欠失を作っており、残り半分ではPAMの上流で欠失していた。 To better characterize genome editing by Cas3 by TA cloning and Sanger sequencing of PCR products, 96 TA clones were picked and compared by sequencing with the sequence of wild-type EMX1 (Fig. 17). Of the 49 clones in which sequence insertion could be confirmed, 24 clones showed a minimum deletion of 596 base pairs, a maximum deletion of 1447 base pairs, and an average deletion of 985 base pairs (46.3% efficiency). Half of the clones (n=12) had a large deletion involving the PAM and spacer sequences, and the other half had a deletion upstream of the PAM.

EMX1遺伝子の3.8kb、CCR5の9.7kbといったより広域の領域におけるプライマーセットでのPCR増幅産物での次世代シークエンスによりさらなるCas3の特徴付けを行った。また、タイプI-E CRISPRでの標的化のための複数のPAMサイト(AAG、ATG、TTT)を検証した。アンプリコンシークエンスでは、AAGは38.2%、ATGは56.4%であり、TTTの86.4%、EMX1を標的にしたCas9の86.4%と比較してPAMサイトの上流の広範なゲノム領域でのカバレッジ率が大きく減少していた。カバレッジの減少はCCR5領域をターゲットにした場合も同様であった。対照的に、Cas9は標的部位での小挿入、小欠失(インデル)を誘発し、一方でCas3はPAMや標的部位での小インデル変異は全くなかった。これらの結果は、CRISPR-Cas3システムが、ヒト細胞において、標的部位の上流の幅広い領域で欠失を引き起こすことを示唆した。 Further Cas3 characterization was performed by next-generation sequencing on PCR amplification products with primer sets in broader regions of the EMX1 gene, 3.8 kb, and CCR5, 9.7 kb. We also validated multiple PAM sites (AAG, ATG, TTT) for targeting with Type IE CRISPR. Amplicon sequencing showed 38.2% for AAG and 56.4% for ATG, indicating extensive upstream PAM sites compared to 86.4% for TTT and 86.4% for Cas9 targeting EMX1. The coverage rate in the genomic region was greatly reduced. The reduction in coverage was similar when targeting the CCR5 region. In contrast, Cas9 induced small insertions, small deletions (indels) at the target site, while Cas3 had no PAM or small indel mutations at the target site. These results suggested that the CRISPR-Cas3 system causes deletion in a broad region upstream of the target site in human cells.

10kb未満の増幅やより短いPCR断片に有利である強いバイアスといったPCR解析の限界を考え、標的にしたEMX1とCCR5遺伝子座の周囲1000kb以上のマイクロアレイベースのキャプチャーシークエンスを利用した(図18A、B)。EMX1遺伝子座では最大で24kb、CCR5遺伝子座では最大43kbの欠失を認めたが、EMX1での90%、CCR5での95%の変異は10kb未満であった。これらの結果は、CRISPR-Cas3システムが、真核細胞ゲノムでも強力なヌクレアーゼとヘリケースの活性を持ちうることを示唆した。 Given the limitations of PCR analysis, such as amplifications <10 kb and strong bias in favor of shorter PCR fragments, we utilized microarray-based capture sequencing of >1000 kb around the targeted EMX1 and CCR5 loci (Fig. 18A,B). . Deletions of up to 24 kb at the EMX1 locus and up to 43 kb at the CCR5 locus were observed, whereas 90% of EMX1 and 95% of CCR5 mutations were <10 kb. These results suggested that the CRISPR-Cas3 system could also have potent nuclease and helicase activity in the eukaryotic genome.

なお、CRISPR-Cas9システムで示されるように、非標的ゲノム領域で望ましくないオフターゲット変異を誘発しうるかどうかは、特に臨床適用に関して大きな懸念事項であるが、CRISPR-Cas3システムでは、顕著なオフターゲット効果はみられなかった。 It should be noted that the ability to induce unwanted off-target mutations in non-targeted genomic regions, as shown in the CRISPR-Cas9 system, is a major concern, especially for clinical applications, whereas in the CRISPR-Cas3 system, significant off-target No effect was seen.

本発明のCRISPR-Cas3システムは、真核細胞のDNAを編集することができるため、ゲノム編集が求められている分野、例えば、医薬、農林水産、工業、生命科学、生命工学、遺伝子治療などの分野に広く利用することができる。 Since the CRISPR-Cas3 system of the present invention can edit the DNA of eukaryotic cells, fields where genome editing is required, such as medicine, agriculture, forestry and fisheries, industry, life sciences, bioengineering, gene therapy, etc. It can be widely used in the field.

Claims (9)

DNAが編集された真核細胞(ただし、ヒト体内に存在する状態の細胞、ヒト生殖細胞、およびヒト胚細胞を除く)または動物(ただし、ヒトを除く)を製造する方法であって、真核細胞(ただし、ヒト体内に存在する状態の細胞、ヒト生殖細胞、およびヒト胚細胞を除く)または動物(ただし、ヒトを除く)に、真核細胞内または動物内でDNAを編集できるCRISPR-Cas3システムを導入することを含み、CRISPR-Cas3システムが以下の(A)~(C)を含む方法(ただし、CRISPR-Cas3システムがタイプI-Dの場合には、真核細胞は哺乳動物細胞であり、動物は哺乳動物である)。
(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)プレcrRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
A method for producing DNA-edited eukaryotic cells (but excluding cells existing in the human body, human germ cells, and human embryonic cells) or animals (but excluding humans), comprising: CRISPR-Cas3 capable of editing DNA in eukaryotic cells or in animals, in cells (but excluding cells in the human body, human germ cells, and human embryonic cells) or animals (but excluding humans) A method comprising introducing a system, wherein the CRISPR-Cas3 system includes the following (A) to (C) (however, when the CRISPR-Cas3 system is type ID, eukaryotic cells are mammalian cells and the animal is a mammal).
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide, and (C) a pre-crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide
DNAが編集された植物を製造する方法であって、植物に、植物内でDNAを編集できるCRISPR-Cas3システムを導入することを含み、CRISPR-Cas3システムが以下の(A)~(C)を含む方法(ただし、CRISPR-Cas3システムがタイプI-Dの場合を除く)。
(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)プレcrRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター
A method for producing a DNA-edited plant, comprising introducing into the plant a CRISPR-Cas3 system capable of editing DNA in the plant, wherein the CRISPR-Cas3 system performs the following (A) to (C) Methods including, except when the CRISPR-Cas3 system is type ID.
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide, and (C) a pre-crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide
真核細胞、動物、または植物にCRISPR-Cas3システムを導入した後に、カスケードタンパク質を構成するタンパク質によりcrRNAが切断される工程を含む、請求項1または2に記載の方法。 3. The method according to claim 1 or 2, comprising the step of cleaving the crRNA by proteins that make up the cascade protein after introducing the CRISPR-Cas3 system into eukaryotic cells , animals, or plants . Cas3タンパク質および/またはカスケードタンパク質に核移行シグナルが付加されている、請求項1~3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a nuclear localization signal is added to Cas3 protein and/or cascade protein. 核移行シグナルがバイパルタイト核移行シグナルである、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the nuclear localization signal is a bipartite nuclear localization signal. DNAが編集された真核細胞または動物の製造に用いるためのキットであって、真核細胞内または動物内でDNAを編集できるCRISPR-Cas3システムを構成する以下の(A)から(C)を含むキット(ただし、CRISPR-Cas3システムがタイプI-Dの場合には、真核細胞は哺乳動物細胞であり、動物は哺乳動物である)。
(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)プレcrRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチド含む発現ベクター
A kit for use in the production of DNA-edited eukaryotic cells or animals, comprising the following (A) to (C) constituting a CRISPR-Cas3 system capable of editing DNA in eukaryotic cells or animals (wherein the eukaryotic cell is a mammalian cell and the animal is a mammal if the CRISPR-Cas3 system is type ID).
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide; and (C) a pre-crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide
DNAが編集された植物の製造に用いるためのキットであって、植物内でDNAを編集できるCRISPR-Cas3システムを構成する以下の(A)から(C)を含むキット(ただし、CRISPR-Cas3システムがタイプI-Dの場合を除く)。
(A)Cas3タンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、
(B)カスケードタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、および
(C)プレcrRNA、該crRNAをコードするポリヌクレオチド、または該ポリヌクレオチド含む発現ベクター
A kit for use in producing a DNA-edited plant, comprising the following (A) to (C) constituting a CRISPR-Cas3 system capable of editing DNA in a plant (however, the CRISPR-Cas3 system is type ID).
(A) a Cas3 protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide;
(B) a cascade protein, a polynucleotide encoding said protein, or an expression vector comprising said polynucleotide; and (C) a pre-crRNA, a polynucleotide encoding said crRNA, or an expression vector comprising said polynucleotide
Cas3タンパク質および/またはカスケードタンパク質に核移行シグナルが付加されている、請求項6または7に記載のキット。 The kit according to claim 6 or 7, wherein a nuclear localization signal is added to Cas3 protein and/or cascade protein. 核移行シグナルがバイパルタイト核移行シグナルである、請求項8に記載のキット。 9. The kit of claim 8, wherein the nuclear localization signal is a bipartite nuclear localization signal.
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